WO2010127656A2 - Verfahren zur herstellung und serienverschaltung von photovoltaischen elementen zu einem solarmodul und solarmodul - Google Patents

Verfahren zur herstellung und serienverschaltung von photovoltaischen elementen zu einem solarmodul und solarmodul Download PDF

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WO2010127656A2
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing and series connection of photovoltaic elements to a solar module and to a solar module.
  • the series connection of photovoltaic elements to a solar module serves to add the light-induced energy generated in the elements without causing a short circuit therein.
  • a first electrical contact with a second electrical contact of two photovoltaic elements is conductively connected to each other, wherein the contacts, also called electrodes, are arranged on the opposite sides of the active semiconductor layers.
  • first electrical contact it is known from the prior art to apply a first electrical contact over the entire surface of a substrate. After that, it is subdivided, starting from the surface down into the substrate, by a first structuring step into a plurality of strips arranged in parallel. After the first structuring process, semiconductor layers which are active over the whole area are applied from a pin or pinpin structure on the surface of the structured first contact, thereby filling up the trenches therein. The semiconductor layers are subdivided into a plurality of strips by a second patterning process, starting from their surface to the surface of the first electrical contact. This second structuring process and thus the subdivision of the semiconductor layers takes place as close as possible to and parallel to the first structuring process and the trenches of the first electrical contact.
  • a second electrical contact is arranged on the surface of the strip-like subdivided photovoltaic element on the thus structured first electrical contact and the semiconductor strip extending parallel thereto, and in turn subdivided into strips.
  • the third structuring process divides the second electrical contact, starting from its surface up to the surface of the semiconductor layers, into a plurality of strips.
  • The- The third structuring process takes place as close as possible and parallel to the second structuring process and parallel but further away from the first structuring process.
  • a disadvantage of this method is that the vacuum process for the deposition of the individual contacts and the photovoltaic element must be interrupted by the structuring processes. Another disadvantage is that prior to each patterning process, the entire module has to be adjusted and realigned. As a result, interconnection losses occur as a result of the structuring and subdivisions. The temperature differences during the structuring processes must be low. Parasitic shunt resistors occur through the doped layers deposited on the first electrical contact. If highly conductive intermediate layers are arranged, short circuits can occur from the single cells through the second electrical contact.
  • the method known from the prior art has disadvantages in the use of electrically conductive layers in the region between the pin structures, since these electrically conductive layers in combination with the method known from the prior art, the second pin structure electrically can be shorted.
  • WO 2008/074879 A2 a further method for series connection of photovoltaic elements to solar modules is known.
  • This method provides, first of all, to deposit a first electrical contact or a first electrode over a whole area on a substrate, and then in turn to deposit the active semiconductor layers for the solar cell over the whole area.
  • two patterning processes are performed successively, in which the trenches are formed close to each other but not directly adjacent to each other.
  • a first trench is made down to the surface of the substrate, and the second trench is formed parallel to the first trench to the surface of the first electrical contact.
  • the first trench to the surface of the substrate is then coarse-filled with an insulator, so that the second trench is not touched.
  • a lift-off material is deposited parallel to the first and second trenches on the surface of the photovoltaic element.
  • the lift-off material is arranged further away from the insulator than from the second trench.
  • the material for the second electrical contact, or the second electrode, over the entire surface of the thus formed layer structure is deposited and the second trench filled up and the insulator and lift-off material covered with it. After a local removal of the second electrical contact above the lift-off material, a trench in the second electrical contact is formed up to the surface of the active semiconductor material and thus the series connection is established.
  • WO 2007/044555 A2 a further method for structuring and series connection of photovoltaic elements to thin-film solar modules is known.
  • This method provides, over the entire area, a succession of a stack of active and conductive layers for forming the solar cell on the substrate in a single deposition process.
  • the structuring processes are then carried out successively, thereby producing the interconnects for series connection of the individual solar modules. In this way, the various adjustments are advantageously avoided after the individual deposition processes.
  • the method provides, after the deposition of the second electrical contact, to carry out two successive structuring processes. In this case, a first structuring of the surface of the second electrical contact down to the glass substrate and a second further structuring immediately adjacent to and parallel to the first structuring, to the surface of the first electrical contact performed.
  • a conductive step or step is formed, which is filled with an insulator from the surface of the second electrical contact down to the substrate.
  • the exposed step or step and thus the surface of the first electrical contact and a part of the substrate remains unaffected.
  • the connection from the surface of the first electrical contact to the surface of the second electrical contact is formed by conductive material.
  • This method is described in Fig. 6 ff. Disadvantageously, this method is also unsuitable for industrial series connection of the individual photovoltaic elements. Task and solution
  • the object of the invention is to provide a method for the formation and series connection of photovoltaic elements to solar modules, which is easier to carry out, and achieves a higher throughput than known from the prior art.
  • a first electrical contact layer is arranged on a substrate.
  • a substrate z the substrates or substrates used in (thin-film) solar cell technology are used. These include metal foils made of steel or aluminum (substrate), plastic foils made of PEN, or the glass substrates provided with superstrate technology, with or without non-conductive intermediate layers on the surface.
  • the first electrical contact layer in particular materials such as the silver / ZnO layers used in the substrate technology and the ZnO, SnO 2 or ITO layers used in superstrate technology may be considered.
  • active semiconductor layers in particular p-i-n or p-i-n-p-i-n or corresponding n-i-p structures, are arranged over the entire surface of one another over the first electrical contact layer.
  • p-i-n structure for example, an amorphous silicon structure is used.
  • a structure of amorphous silicon and microcrystalline silicon may be considered as the p-i-n-p-i-n structure.
  • a second electrical contact layer on the side of the semiconductor layers opposite the first contact layer is arranged on the active semiconductor layers.
  • This provides a layer structure comprising a substrate / superstrate, with or without a nonconductive intermediate layer, a first electrical contact layer arranged thereon, a semiconductor structure arranged thereon and a second electrical contact layer arranged thereon.
  • a PECVD method or sputtering method or photo-CVD or HWCVD or a similar method can be used.
  • a plurality of parallel stepped trenches for forming and separating a corresponding plurality of strip-shaped photovoltaic elements are then formed.
  • the formation of the step trenches can be carried out selectively by means of a suitable choice of lasers with different wavelengths and depending on the materials to be removed in one step or in two steps.
  • the surface of the substrate / superstrate and the surface of the first contact layer are exposed step by step in a side-by-side manner.
  • the stepped trenches are made as follows. In the step trenches, the surface of the substrate over the length of the photovoltaic elements z. B. exposed in a strip. Instead of the strip shape, a meandering shape or a different shape may also be selected in the removal of layers over the length of the elements.
  • the surface of the first electrical contact layer next to the exposed substrate surface may, like the substrate surface, for. B. strip-shaped over the entire length of the photovoltaic elements, or seen over the length of the photovoltaic elements, are exposed locally in areas.
  • the semiconductor layers and the second electrical contact layer are removed, so that the step trenches are formed.
  • the semiconductor layers and the second electrical contact layer may, for. B. in the form of points at certain intervals one behind the other. In the latter case, the surface of the first electrical contact layer is exposed only in areas, that is, at certain points above the substrate.
  • the parallel stepped trenches divide the layer structure into a corresponding plurality of parallel z.
  • Each photovoltaic element comprises the layer sequence of substrate / superstrate, if appropriate Intermediate layer, first electrical contact layer, active semiconductor layers and second electrical contact layer.
  • the photovoltaic elements are parallel next to each other in accordance with the structuring.
  • the method provides for arranging insulator material at least in the step trenches.
  • the application of the insulator in strip or dot form can, for. B. by spraying through a suitably arranged mask, or preferably by an ink jet printer with or without a mask.
  • the printer is preferably computer controlled. Conventional ink-jet printer ink can be used.
  • An advantage of this structuring is that the arrangement of the insulator in the step trenches does not have to be particularly exact. Rather, the insulator can be arranged laterally over the flanks of the stepped trenches except for the surface regions of the second electrical contact layer adjoining the step trenches laterally. The insulator does not have to completely fill the step trench either. It is sufficient to cover the surface of the layers in the step trenches as a thin layer.
  • the insulator has at least the lateral extent of the step trench. It is placed in the step trench so that the exposed surfaces of the substrate and the first electrical contact layer are covered with insulator.
  • the insulator may laterally cover the surface of the second electrical contact layer on both sides along the trenches beyond the two flanks of the stepped trench. As a result, a significant time savings compared to the prior art is advantageously effected.
  • the insulator can be arranged photolithographically by means of mask technology. In an embodiment of the invention, the insulator can also be applied over the whole area to the layers and the stepped trenches.
  • the insulator is locally removed again in the step trenches, so that the surface of the first electrical contact layer and optionally also of the substrate / superstrate in the resulting recesses is exposed in second step trenches.
  • the semiconductor layers and the second contact layer are not exposed.
  • Sufficient is the exposure of the surface of the first electrical contact layer by the removal of the insulator.
  • a second step trench is formed. In each case two adjacent photovoltaic In this case, only the first contact layer of one of the two adjacent elements is exposed.
  • the insulator can be stripe-shaped over the entire length of the photovoltaic elements or areas, that is locally removed.
  • the exposed in the trenches surface of the first electrical contact layer of a particular photovoltaic element and optionally the substrate / superstrate is then electrically connected in series with the second electrical contact layer of the adjacent photovoltaic element, without the short circuits are formed.
  • contact material is arranged from the surface of the second electrical contact layer of a photovoltaic element to the surface of the first electrical contact layer of the adjacent photovoltaic element exposed by insulator material, so that both adjacent photovoltaic elements are connected to one another in series. This process is repeated for all photovoltaic elements.
  • contact material is electrically conductive material such. As silver, preferably applied by ink jet printing or screen printing.
  • dot-shaped or strip-shaped regions extending over the length of the photovoltaic elements can be formed on insulator material and / or contact material.
  • the step of placing the insulator in the step trenches and the step of placing the contact material for series interconnecting the adjacent photovoltaic elements from the surface of the second electrical contact layer of a photovoltaic element to the surface of the first electrical contact layer of an adjacent photovoltaic element is particularly advantageous done much faster than according to the prior art.
  • the insulator material and the contact material can be compared to the prior art, namely lateral comparatively imprecise in the step trenches and also over the two lateral edges of the trenches up to the surface of the second electrical contact layer can be arranged. It is not necessary for the insulator or the contact material to completely fill the trenches. It is also not necessary that the insulator material and the contact material only in partial areas of the trench, as known in the art, to arrange. Rather, it must be ensured that the exposed surface of the first electrical contact layer and the optionally exposed substrate surface in the bottom of the trench and the surfaces of the layer system exposed on the two flanks of the trench are covered. As a result, an electrical short circuit of the elements is avoided.
  • a step trench may, depending on the method lateral dimensions of z. B. 10- 100, preferably 50-100 microns.
  • the insulator strip and the insulator points, or areas, may have larger lateral dimensions, or diameters, z. B. up to a few millimeters. The same applies to the contact material.
  • the insulator can have lateral dimensions of up to 5 mm as a strip. The same then applies to the contact material that is arranged after exposure of the first electrical contact layer on the layer structure for series connection.
  • the insulator material and the contact material can be arranged, for example, in a factor of 1 to 100 times wider than the stepped trench itself in this and optionally on the second electrical contact layer.
  • a significant acceleration of the process can be achieved by depositing all the layers in succession without structuring the same, that is to say from substrate / superstrate and first electrical contact layer and active semiconductor layers and second electrical contact layer.
  • a further acceleration occurs after the structuring with the application of insulator and contact material in a lateral dimension greater than the lateral dimension of the step trench and the subsequent local removal to expose the surface of the first electrical contact layer. In this way, a much faster series connection can be realized than in the prior art.
  • the method has the potential, after the application of the insulator, or the contact material, in particular punctiform areas, to produce solar cells with a large area for power generation.
  • Novel solar cells with structured insulator areas filled with contact material are provided.
  • an ink-jet printing method is particularly preferably used.
  • An inkjet printer can be used to print both conductive silver ink and insulating printer ink. The printer can computer-accelerate the entire process further.
  • a material-selective laser ablation is used, in which both the semiconductor material of the active semiconductor layers, and the first and / or second electrical contact layer or the insulator or the contact material can be removed.
  • a laser head with two or more lasers can be used.
  • a laser ablation according to the invention is preferably computer-controlled.
  • the insulator is wholly or strip-shaped over the entire length of the photovoltaic elements or only in areas such.
  • B. punctiform arranged in the first step trenches and on the surface of the second electrical contact layer.
  • a strip-shaped arrangement of the insulator in the stepped trenches advantageously takes place rapidly, a punctiform arrangement of the insulator in the stepped trenches has the particularly advantageous effect of enlarging the area available for energy generation for the conversion and generation of energy.
  • An entire surface arrangement of the insulator, even on the surface of the second electrical contact layer, is particularly imprecise and thus very fast.
  • the thickness of the insulator may be a few nanometers to a few micrometers.
  • the contact material can in areas, ie z. B. strip-shaped over the entire length of the photovoltaic elements or point or finger-shaped from the surface of the second electrical contact layer of a photovoltaic element, to the exposed surface of the first electrical contact layer of a photovoltaic element adjacent thereto, are arranged.
  • the contact material can also be arranged over the entire surface and cover the surface of the layer structure.
  • Chromium and preferably silver and aluminum can be used as the contact material.
  • Point-like arrangements of the insulator and its structuring and the arrangement of the contact material in the insulator preferably extend in a perforation-like manner over the length of the photovoltaic elements.
  • the surface of the first electrical contact layer in the step trenches and optionally the surface of the substrate therein and adjacent to the step trenches become the surface of the second electrical contact layer re-exposed by local removal of the insulator.
  • the insulator in the region of the stepped trenches and adjacent to this on the surface of the second electrical contact layer perforation-like area-shaped recesses.
  • the recesses in the region of the first stepped trenches are formed in such a way that, in addition, short circuits due to remaining insulating material are avoided. That is, semiconductor material and material of the second electrical contact layer are not exposed in the step trenches.
  • contact material can again be deposited on this layer structure over the whole area and inserted or applied in the step trenches and as a cover layer. Since this step is also carried out imprecisely and contact material is arranged on the entire surface of the layer structure, this step again proceeds very quickly. Finally, in a structuring step, the surface of the second electrical contact layer is exposed at suitable locations, and the series connection is completed without short circuits being able to occur. It will be advantageous in this way the contact material on the second electrical contact layer is removed such that a series connection of the photovoltaic elements takes place.
  • a so-called "white reflector” can be selected as an insulator, for example Marabu white color 3070. This has the particularly advantageous effect of increasing the reflection and scattering of the light back into the solar cell.
  • the said areas are preferably punctiform and preferably run in a perforation over the entire length of the photovoltaic elements.
  • solar modules with a plurality of parallel arranged photovoltaic elements, between which insulator material is arranged.
  • the insulator material is structured.
  • contact material is arranged, which contacts the second electrical contact layer of a photovoltaic element A, with the first electrical contact layer of an adjacent element B. All photovoltaic elements are connected in series with each other in this way.
  • the contact material, which contacts the second electrical contact layer of a photovoltaic element with the first electrical contact layer of an adjacent element is present either in strip form over the entire length of the photovoltaic elements, or arranged in a punctiform manner in regions.
  • the contact material which contacts the second electrical contact layer of a photovoltaic element with the first electrical contact layer of an adjacent element, can also be present over the whole area on the second electrical contact layer. Then it has a structuring near the stepped trenches, which ensures that the photovoltaic elements are series-connected, without short circuits can occur.
  • An arrangement of insulator and / or contact material for series connection in the sense of the invention is preferably computer-controlled. Furthermore, the invention with reference to five embodiments and the accompanying figures 1 to 5 is explained in more detail, without thereby limiting the invention is provided.
  • Figures 1 to 3 Formation and series connection of preferred strip-shaped photovoltaic elements to a solar module.
  • the insulator 6, 26, 36 is arranged as a strip over the entire length of the photovoltaic elements in the first step trenches and on the surface of the second electrical contact layer. The same applies to the contact material.
  • Figure 4 Formation and series connection of preferred, strip-shaped photovoltaic elements to a solar module, in which the insulator 46 is preferably arranged punctiform in the first step trenches and on the surface of the second electrical contact layer. The same applies to the contact material.
  • Figure 5 Formation and series connection of preferred, strip-shaped photovoltaic elements to a solar module, in which the insulator 56 is arranged over the entire surface in the first step trenches and over the entire surface on the surface of the second electrical contact layer. The same applies to the contact material.
  • FIGS. 1 a) to 5 a) each show a plurality of strip-shaped photovoltaic elements in a solar module on the right in the image in plan view.
  • a detail enlargement shows three mutually parallel arranged photovoltaic elements A-C.
  • the two lines represent step trenches between the elements.
  • the nomenclature Pl to P4 in Figures 1-5 indicates the approximate location and number of patterns per step trench.
  • the strip-shaped photovoltaic elements A, B, C... are formed from the first and the second electrical contact layer and the semiconductor layers arranged therebetween, as well as optionally further layers.
  • FIGS. 1 b) to 5 b) each show the starting point of the method.
  • a first electrical TCO contact layer 1, 21, 31, 41, 51 Transparent Conductive Oxide
  • the first electrical contact layer has a thickness of about 600 nanometers.
  • the active semiconductor layers 2, 22, 32, 42, 52 are arranged as p-i-n or p-i-n-p-i-n structure or the like.
  • the semiconductor layers comprise at least one p-doped, at least one undoped and at least one n-doped layer.
  • the second electrical contact layer 3, 23, 33, 43, 53 is arranged as a back contact, here a metal layer or a multilayer semiconductor-metal film system having a thickness of about 280 nanometers.
  • the first electrical contact layer 1, 21, 31, 41, 51 made of ZnO was deposited thereon.
  • the second electrical contact layer 3, 23, 33, 34, 35 of ZnO and silver is deposited by means of PVD.
  • the temperature and other process parameters which lead to the starting position of FIGS. 1 b) to 5 b) can be seen in the prior art.
  • a PECVD Pasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • the basis of the embodiment is a microcrystalline solar cell, which is produced on a 10x10 cm 2 glass substrate of thickness 1.1 mm.
  • the thickness of the microcrystalline pin layer stack as the active semiconductor layer 2 in FIG. 1 is about 1300 nanometers in total.
  • the microcrystalline layer stack is arranged on a first electrical contact layer 1 of wet-chemically textured zinc oxide with a thickness of approximately 800 nanometers.
  • the second electrical contact 3 is a layer system of 80 nm zinc oxide in combination with a 200 nm thick silver layer. In this case, the zinc oxide layer on the silicon layer stack on the side of the second electrical contact layer is followed by the silver layer.
  • a first structuring process Pl (FIG. 1 c)
  • the material is removed from the second electrical contact layer 3 and the active semiconductor layers 2 and from the first electrical contact layer 1 by laser ablation, so that the surface of the substrate 4 extends over the length of the photovoltaic elements is exposed in the trenches.
  • This structuring process P1 is carried out successively for all the photovoltaic elements.
  • the laser is guided for this purpose by a relative movement over the surface of the substrate.
  • the laser used to remove the material from layers 1, 2 and 3 is an Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE THG.
  • the wavelength of the laser is 355 nm. This wavelength is specific for the ablation of the materials of layers 1 to 3.
  • An average power of 390 mW is selected at a pulse repetition rate of 15 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 580 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is approx. 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of about 100 mm. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layers to be ablated through the transparent substrate. In this case, the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse producing a circular ablation with a diameter of approximately 53 ⁇ m.
  • a plurality of trenches for separating the photovoltaic elements A, B, C and so on are so arranged on the substrate 4 in parallel next to each other, see Fig. Ia and the vertical lines in the module right. Between two immediately adjacent photovoltaic elements A, B or B, C there is in each case a trench after the structuring process P1.
  • the structuring process Pl proceeds by means of computer-aided control.
  • the trenches each have a lateral extent of approximately 53 micrometers after the step P1.
  • the structuring process P1 is repeated as often as photovoltaic elements are to be generated, eg. B. 8 to 12.
  • a second structuring process P2 takes place along the dashed line in FIG. 1 d).
  • the second electrical contact layer 3 and the part of the active semiconductor layers 2 arranged underneath are removed down to the surface of the first electrical contact layer 1.
  • the material can be removed up to the edge of the first structuring trench P1.
  • the laser used is a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the wavelength of the laser is 532 nm. This wavelength is specific for the removal of the materials of both layers 2, 3.
  • An average power of 410 mW is selected at a pulse repetition rate of 11 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is approx. 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 300 mm. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layers to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of approximately 70 ⁇ m.
  • each pulse giving a circular ablation with a diameter of approximately 70 ⁇ m.
  • two ablations are each carried out with a slight overlap relative to one another in order to separate two photovoltaic elements.
  • the photovoltaic elements A 3 B, C are separated from each other after the second patterning process P2 to the substrate 4.
  • the stripe-shaped parallel photovoltaic elements A, B, C, and so forth are electrically and spatially isolated from each other through the step trenches 5 disposed on the substrate 4.
  • a plurality of first step trenches 5 for separating the photovoltaic elements A, B, C and so on are thus formed.
  • the total width of the step trenches 5 is about 180 microns.
  • each step trench 5 divides the stripe-shaped photovoltaic elements A and B and so on (see Figures lb) -g) from each other along the entire length of the solar module, see Figure 1 a).
  • the illustrated stepped trench 5 is one-sided, since herein the surface 1b of the first contact layer 1 is exposed only on one side to the right above the substrate 4.
  • the structuring process P2 is repeated according to the structuring P1 until the layers 1, 2, 3 for a plurality of strip-shaped, mutually parallel photovoltaic elements A, B, C and so on, separated by the individual step trenches 5, to each other.
  • the application of the insulator 6 of paint in the step trenches 5 takes place on both sides beyond the flanks of the step trench 5 addition.
  • This means that the insulator is arranged laterally over the flanks of the stepped trenches up to the surface 3 a, 3 b of the second electrical contact layer 3 and thus also on this.
  • the color Dupli-Color Aerosol Art of the company Motip Dupli GmbH with the color RAL 9005 is used as insulator 6.
  • the application of the insulator can be carried out by means of spraying.
  • the insulator thickness is about 8 ⁇ m.
  • the insulator is applied through a metal mask having the geometry required for the isolation of the insulator.
  • the metal mask has strip-shaped openings with a width of about 4 mm.
  • the openings are repeated at regular intervals corresponding to the distances of the step trenches 5 on the substrate to each other.
  • the length of the openings of the mask is on both sides about 5 mm larger than the length of the step trenches 5.
  • a strip-shaped insulator geometry according to FIG. 1 e) is achieved.
  • one of the two sides here the side with surface 3a of the second electrical contact layer 3 in a lateral extent, may be less covered with the insulator strip 6, a non-conductive material, than the opposite other side with surface 3b.
  • the surface 3 a on the left in the image is covered in a lateral extent of about 1300 microns with the insulator.
  • the lateral extent of the surface 3b (right in the picture) with insulator amounts to about 2500 ⁇ m.
  • a structuring process P3 is carried out per step trench.
  • the insulator 6 is removed by forming trenches 7 over the length of the photovoltaic elements in the trenches 5.
  • the trench 7 is formed so as to be located between the right outer edge and the left edge of the step trench 5. This means that the lateral flanks of the stepped trenches remain isolated. As a result, an electrical short circuit is avoided in the following.
  • P3 is positioned so that the first electrical contact layer Ic is exposed within the step trench 5. The removal is done by means of selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the power of the laser is 860 mW at a pulse frequency of 17 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is approx. 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate. In this case, the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated. In this case, the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse producing a circular ablation with a diameter of approximately 100 ⁇ m.
  • the laser forms a second stepped trench 7 (FIG. 1 f) within the previously filled-in first stepped trench 5.
  • a staggered second step trench 7 is arranged in front of the first step trench 5. That is, the left land 6a and the right land 6b of the insulator material remain for electrically insulating the cells A, B, and so on. The remaining perpendicular to the structuring process P3 vertically extending edge webs 6a and 6b of the insulator further prevent a short circuit of the two photovoltaic elements A and B.
  • the structuring process P3 is repeated as often as the structuring processes P1 and P2 and until the layers 1, 2, 3 as a plurality of strip-like, mutually parallel photovoltaic elements, separated by the step trenches 7 and separated by the edge webs 6a and 6b of the insulator available.
  • every second step trench 7 is filled with contact material 8 in strips over the length of the photovoltaic elements.
  • the exposed surface Ic of the first electrical contact layer of the photovoltaic element B in the second step trench 7 is electrically contacted only with the surface of the second electrical contact layer 3a of the adjacent photovoltaic element A (FIG. 1 g)) but not short-circuited with its own surface.
  • the contact material for example, silver having a thickness of about 200 nm is selected.
  • the filling of the second step trench 7 also takes place by means of masking.
  • a mask similar or similar to the mask for applying the insulator is used.
  • the silver is patterned through the mask by a thermal evaporation process and applied to the substrate.
  • the second step trench 7 is filled with contact material 8 strip-shaped, so that only the surface of the second electrical contact layer 3a of a photovoltaic element A and not the surface of the second electrical contact layer 3b of the adjacent photovoltaic element B with the exposed surface of the first electrical contact layer Ic of element B in the step trench 7 is connected. This is achieved by a slightly offset alignment of the mask by about 2 mm compared to the orientation of the mask when the insulator is applied.
  • the basis of the second embodiment is a solar cell, which is produced on a 10x10 cm 2 glass substrate of thickness 1.1 mm.
  • the thickness of the microcrystalline 2 is in this case a total of approximately 1300 nm.
  • the microcrystalline layer stack is in this case arranged on a first electrical contact layer 21 made of wet-chemically textured zinc oxide with a thickness of approximately 800 nanometers.
  • the second electrical contact layer 23 is a layer system of 80 nm zinc oxide in combination with a 200 nm thick silver layer.
  • the silicon layer stack 22 on the side of the second electrical contact layer first the zinc oxide layer is followed by the silver layer.
  • a first structuring process Pl (FIG. 2 c)
  • material is removed from the second electrical contact layer 23 and the active semiconductor layers 22 by a laser ablation, see FIGS. 2 a) and 2 c), so that the surface the first electrical contact layer 21 in the trenches is exposed over the length of the photovoltaic elements.
  • This structuring process P1 is carried out successively for all the photovoltaic elements.
  • the laser is guided for this purpose by a relative movement over the surface of the substrate.
  • the laser used to remove the material from layers 22 and 23 is an Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the wavelength of the laser is 532 nm. This wavelength is specific for erosion of the materials of both layers 22, 23.
  • An average power of 410 mW is selected at a pulse repetition rate of 11 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 300 mm. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layers to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, whereby each pulse results in a circular ablation with a diameter of approximately 70 ⁇ m.
  • three stripe-shaped ablations with a slight overlap to each other are carried out for the separation of two photovoltaic elements.
  • a plurality of trenches for the photovoltaic elements A, B, C and so on are so arranged on the first electrical contact layer 21 in parallel over the length of the photovoltaic elements side by side, see Figure 2 c) and the vertically arranged lines in the module right of FIG 2 a).
  • the structuring process Pl proceeds by means of computer-aided control.
  • the trenches each have a lateral extent of about 200 microns, according to Pl.
  • the structuring process P1 is repeated as often as photovoltaic elements are to be generated.
  • Overall, z. B. about 8 to 12 trenches are formed.
  • the first electrical contact layer 21 is removed to form the stepped trench 25 up to the surface of the substrate 24 (FIG. 2 d)).
  • the distance between the center of separation of the first electrical contact layer and the outermost left edge of the step trench 25 is approximately 60 ⁇ m.
  • the laser used is a Nd: YVO 4 laser from Rofm, type RSY 2OE THG, with a wavelength of 355 nm. This wavelength is specific for ablation of the material of layer 21.
  • An average power of 300 mW is selected at a pulse repetition rate of 15 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 250 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 100 mm. In this case, the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of approximately 35 ⁇ m.
  • the photovoltaic elements A, B, C and so on are separated from each other after the second patterning process P2 to the substrate 24.
  • the stripe-shaped parallel photovoltaic elements A, B, C and so forth are electrically insulated from each other by the trenches 25 on the substrate 24.
  • a plurality of first step trenches 25 for separating the photovoltaic elements A, B, C and so on are thus formed.
  • the surfaces of the first electrical contact layer 21a, 21b and of the substrate 24 project directly next to one another over the length of the photovoltaic elements, so that a step is formed in the form of a step. Since P2 is a structuring along the entire surface of the layer structure, the two-sided step trench 25 divides the two photovoltaic elements A and B shown in the figure from one another along the entire longitudinal axis of the solar module (see Fig. 2 a), right ,
  • the manufactured step trenches 25 are two-sided, since in the step trenches 25, the surfaces 21a, 21b of the first contact layer are exposed on two sides above the substrate 24.
  • the structuring process P2 is repeated in accordance with the structuring process P1 until the layers 21, 22, 23 for a plurality of strip-shaped, mutually parallel photovoltaic elements A, B, C and so on, separated by the individual step trenches 25, to each other.
  • an insulator 26 made of paint in the step trenches 25 on both sides beyond the edge of each step trench 25 also takes place.
  • the insulator is arranged laterally over the two flanks of the stepped trenches up to the surface 23a, 23b of the second electrical contact layer 23 thereon.
  • the color Dupli-Color Aerosol Art of the company Motip Dupli GmbH with the Frabton RAL 9005 is used as insulator 26.
  • the application of the insulator can be carried out by means of spraying.
  • the insulator thickness is about 8 ⁇ m.
  • the insulator is applied through a metal mask having the geometry needed to pattern the insulator.
  • the metal mask has strip-shaped openings with a width of about 4 mm.
  • the openings are repeated at regular intervals corresponding to the distances of the step trenches 25 on the substrate to each other.
  • the length of the openings of the mask is on both sides about 5 mm larger than the length of the step trenches 25.
  • an insulator geometry according to the figure 2 e) can be produced.
  • one of the two sides, here the side with the surface 23a of the second electrical contact layer 23 may be less covered in lateral extent with the insulator strip 26, a non-conductive material, than the opposite other side with the surface 23b .
  • the surface 23 a on the left in the image is in a lateral extent of 1300 microns with the Insulator covered.
  • the lateral extent on the surface 23b (right in the picture) with insulator as overlap, however, is about 2500 microns per step trench.
  • the application of the insulator and the choice of the mask is such that all stepped trenches 25 and the surfaces 23 a and 23 b of the second electrical contact layer in this manner are covered strip-shaped within the module with the insulator 26 (see Fig. 2 a), right in Image).
  • the isolator 26 is selectively removed as a strip over the length of the photovoltaic elements in the trenches 25.
  • the trench 27 is formed and in each case positioned so that it is located between the right and left outer edge of the step trench 25.
  • the lateral flanks of the step trench 27 are covered with insulators 26a and 26b.
  • the removal takes place by means of selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the power of the laser is 860 mW at a pulse frequency of 17 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate.
  • the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated.
  • the focused beam in this case has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse resulting in a circular ablation with a diameter of about 100 microns.
  • the laser forms within the previously filled first step trench 25 a second stepped trench 27 (FIG. 2f)).
  • the surface of the first electrical contact layer 21c and the surface of the substrate 24 are again exposed directly next to each other as a step or step.
  • the structuring P3 is repeated as often as the structurings P1 and P2 and until the layers 21, 22, 23 are divided into a plurality of strip-like photovoltaic elements arranged parallel to one another, separated by the stepped trenches 27 and separated by the edge webs 26a and 26b of FIG Isolator, present.
  • each step trench 27 is filled with contact material 28 in strips over the length of the photovoltaic elements. This backfilling takes place such that the exposed surface 21c of the first electrical contact layer of the photovoltaic element B in the second step trench 27 is electrically contacted only with the surface of the second electrical contact layer 23a of the adjacent photovoltaic element A (FIG. 2 g)). In this way, the electrical contact between the surface of the second electrical contact layer 23 a with the surface of the first electrical contact layer 21 c and thus the series connection of the two photovoltaic elements A and B is completed.
  • the contact material for example, silver is used as the material with a thickness of about 200 nm.
  • the backfilling of the second step trench 27 also takes place by means of masking.
  • a mask is similarly used the mask for applying the insulator.
  • the silver is applied to the substrate in a structured manner by a thermal evaporation process through the mask.
  • the second step trench 27 is filled or covered with contact material 28 such that only the surface of the second electrical contact layer 23 a of the photovoltaic element A and not the surface of the second electrical contact layer 23 b of the photovoltaic element B with the exposed surface of the first electrical contact layer 21 b in the step trench 27 is connected. This is achieved by a slightly offset alignment of the mask by about 2 mm compared to the orientation of the mask when the insulator is applied.
  • the basis of the exemplary embodiment is a microcrystalline solar cell, which is produced on a 10 ⁇ 10 cm 2 glass substrate of thickness 1.1 mm.
  • the thickness of the microcrystalline pin layer stack 32 (active semiconductor layer, FIG. 3) amounts to a total of about 1300 nanometers.
  • the microcrystalline layer stack is in this case on a first electrical contact layer 31 of wet-chemically textured zinc oxide with a thickness of about 800 nm.
  • the second electrical contact layer 33 is a layer system of 80 nm zinc oxide in combination with a 200 nm thick silver layer. In this case, the zinc oxide layer on the silicon layer stack on the side of the second electrical contact layer is followed by the silver layer.
  • a first patterning process P1 (FIGS. 3c, 3d)
  • material is removed from the second electrical contact layer 33 and simultaneously the active semiconductor layers 32 and the first contact layer 31 by a single laser ablation, so that the surface of the first electrical contact layer 31 is strip-shaped is exposed over the length of the photovoltaic elements.
  • This patterning process P1 is performed successively for all the photovoltaic elements A, B, C and so on.
  • two laser beams with different wavelength and focus geometry are guided simultaneously by a relative movement over the surface of the substrate. Distance and power are adjusted so that simultaneously material of the layers 33 and 32 and 31 or 33 and 32 are removed.
  • the laser used to remove the material from the layers 32 and 33 is an Nd: YV O 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the wavelength of the laser is 532 nm. This wavelength is specific for ablation of the materials of both layers 32, 33.
  • An average power of 1200 mW at a pulse repetition rate of 4 kHz is chosen.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 300 mm. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layer to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse having a circular emission tion with a diameter of about 200 microns results.
  • the diameter of the circular ablation was applied by means of an expansion optics and adjusted before focusing the laser beam.
  • the laser used to ablate the material 31 is a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE THG, with a wavelength of 355 nm. This wavelength is specific for ablation of the material of layer 31.
  • An average power of 550 mW is selected at a pulse repetition rate of 20 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is also 800 mm / s in principle.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of the focusing on the layer side of the substrate, which is also used to focus the laser radiation of wavelength 532 nm.
  • the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be discharged.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, whereby each pulse results in a circular ablation with a diameter of approximately 55 ⁇ m.
  • a plurality of strip-shaped stepped trenches 35 for the photovoltaic elements A, B, C and so on are present next to one another in parallel on the first electrical contact layer 31 (see FIG. 3 a) and the vertical lines in the module on the right). Between two immediately adjacent photovoltaic elements A, B or C, B and so on, there is in each case a trench after the structuring process P1.
  • the structuring process Pl proceeds by means of computer-aided control.
  • the structuring process P1 is repeated as often as photovoltaic elements are to be generated.
  • the first electrical contact layer 31 for forming the step trench 35 is removed in one step up to the surface of the substrate 34 and the first electrical contact layer (FIGS. 3 c) and 3 d)).
  • each two-sided step trench 35 subdivides the adjacent strip-shaped elements photovoltaic elements A and B (see Fig. 3 b) to 3 g)) from each other along the entire longitudinal axis of the solar module. The same applies to the other photovoltaic elements C and so on.
  • the stepped trenches 35 are two-sided, since in the stepped trenches 35 the surfaces 31a, 31b of the first contact layer are exposed on two sides, that is to say on both sides above the substrate 34.
  • the structuring P1 is repeated until the layers 31, 32, 33 for a plurality of strip-shaped, mutually parallel photovoltaic elements A, B, C and so on, separated by the individual step trenches 35, are present to each other.
  • the insulator 36 of paint in the step trenches 35 is disposed on both sides beyond the edge of the step trench 35 addition.
  • This means that the insulator is arranged laterally beyond its flanks except for the surfaces 33a, 33b of the second electrical contact layer 33 thereon.
  • the color Dupli-Color Aerosol Art of the company Motip Dupli GmbH with the Frabton RAL 9005 is used as insulator 36.
  • the insulator can be arranged by means of spraying technology.
  • the resulting insulator thickness is about 8 ⁇ m.
  • the insulator is applied through a metal mask having the required geometry.
  • the metal mask has strip-shaped openings with a width of about 4 millimeters.
  • the openings are repeated at regular intervals corresponding to the distances of the stepped trenches 35 on the substrate to each other.
  • the length of the openings of the mask is on both sides about 5 mm larger than the length of the step trenches 35.
  • an insulator geometry according to Figure 3 e) can be achieved over the length of the photovoltaic elements.
  • one of the two sides in this case the side with surface 33a of the second electrical contact layer 33, may be covered less in lateral extent with the insulator strip 36, a nonconductive material, than the opposite other side with surface 33b.
  • the surface 33a on the left in the image is covered with the insulator in a lateral extent of 1300 ⁇ m.
  • the lateral extent of the surface 33b (right in the picture) with insulator is about 2500 microns. All of the parallel stepped trenches 35 and the surfaces 33a and 33b of the second electrical contact layer are covered in strip form along the length of the photovoltaic elements within the module with the insulator 36 ( Figure 1 a), right in the image).
  • the insulator 36 is selectively removed in strip form over the length of the photovoltaic elements in the former trenches 35.
  • the new trench 37 is positioned by P2 between the right and left outer edges of the first step trench 35.
  • the lateral flanks of the stepped trenches are insulated by insulators 36a, 36b.
  • P2 exposes the first electrical contact layer 31c within the step trench. The removal is done by means of selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the power of the laser is 860 mW at a pulse frequency of 17 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate. In this case, the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated. In this case, the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of approximately 100 ⁇ m.
  • the laser forms a second stepped trench 37 (FIG. 3f) within the former now filled first step trench 35.
  • the layers 31, 32, 33 are thereby divided into a plurality of strip-shaped, mutually parallel photovoltaic elements. These are separated by the stepped trenches 37 and separated by the isolator bars 36a and 36b.
  • the second step trenches 37 are filled with contact material 38 also strip-shaped over the length of the photovoltaic elements.
  • the exposed surface 31c of the first electrical contact layer of the photovoltaic element B is thereby electrically contacted only with the surface of the second electrical contact layer 33a of the adjacent photovoltaic element A (FIG. 3 g)). There is no contacting of the surface 31c with 33b.
  • contact material for example, silver with 200 nm thick is arranged.
  • the backfilling of the second step trench 37 also takes place by means of masking.
  • a mask is similarly used the mask for applying the insulator.
  • the silver is applied through the mask by a thermal evaporation process.
  • the second stepped trenches 37 are filled with contact material 38 such that only the surface of the second electrical contact layer 33a of a photovoltaic element A and not the surface of the second electrical contact layer 33b of the photovoltaic element B with the exposed surface of the first electrical contact layer 31c in the stepped trench 37 is connected. This is achieved by a slightly offset alignment of the mask by about 2 mm compared to the orientation of the mask when the insulator is applied.
  • the basis of the exemplary embodiment is a microcrystalline solar cell, which is produced on a 10 ⁇ 10 cm 2 glass substrate of thickness 1.1 mm.
  • the thickness of the microcrystalline pin layer stack as the active semiconductor layer 42, FIG. 4) is about 1300 nanometers in total.
  • the microcrystalline layer stack is arranged on a first electrical contact layer 41 of wet-chemically textured zinc oxide with a thickness of approximately 800 nanometers.
  • As the second electrical contact layer 43 a layer system of 80 nm zinc oxide in combination with a 200 nm thick silver layer is provided. In this case, the zinc oxide layer on the silicon layer stack on the side of the second electrical contact layer is followed by the silver layer.
  • material from the second electrical contact layer 43 and the active semiconductor layers 42, as well as from the first electrical contact layer 41 is strip-removed over the length of the photovoltaic elements by means of laser ablation, so that the surface of the photovoltaic element Substrate 44 is exposed strip-shaped in the trenches 45 a. Pl is carried out successively for all photovoltaic elements.
  • the laser is guided for this purpose by a relative movement over the surface of the substrate.
  • the laser used to remove the material from the layers 41, 42 and 43 is an Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE THG.
  • the wavelength of the laser is 355 nm. This wavelength is specific for ablation of the materials of layers 41 to 43.
  • An average power of 390 mW is selected at a pulse repetition rate of 15 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 580 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 100 mm. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layer to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of approximately 53 ⁇ m.
  • the teeth 45a extend over the length of the photovoltaic elements.
  • a variety of z. B. 8 to 12 at trenches for subdividing the photovoltaic elements A, B, C and so on are parallel to each other on the substrate 44 next to each other (see Fig. 4a: vertical, dashed lines in the module right in supervision).
  • a trench 45a over the length of the photovoltaic elements according to Pl.
  • Pl runs by means of computer-aided control.
  • the trenches 45a each have a lateral extent of about 53 microns. Pl is repeated as many times as photovoltaic elements are to be generated.
  • the fourth exemplary embodiment there is no longer any strip-shaped removal of the active semiconductor layers 42 and the second electrical contact layer 43 over the length of the photovoltaic elements for exposing the first electrical contact layer 41. Rather, by the second structuring P2, the layers 42 and 43 only in areas, that is z. B. punctiform removed only on the right side along the trench 45a to the surface of the first electrical contact layer 41 (see Fig. 4 d)).
  • the punctiform recesses 45b have a spacing of approximately 1 to 5 millimeters from one another in the longitudinal direction of each strip-shaped trench 45a. Other distances and sizes can be selected.
  • the laser used to remove the material from layers 42 and 43 is an Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the wavelength of the laser is 532 nm. This wavelength is specific for ablation of the materials of both layers 42, 43.
  • An average power of 48 mW is selected at a pulse repetition rate of 0.16 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate. In this case, the beam is guided from the substrate side onto the layer to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with a circular one per pulse Ablation 45b with a diameter of about 200 microns results.
  • the diameter of the circular ablation was applied by means of an expansion optics and adjusted before the focusing of the laser beam.
  • the photovoltaic elements A, B, C and so on are separated from each other by Pl and P2 to the substrate 44.
  • the stripe-shaped parallel photovoltaic elements A, B, C and so forth are electrically insulated from each other by the step trenches 45a, 45b on the substrate 44.
  • a plurality (about 8-12) of parallel first trenches 45a along the length of the photovoltaic elements having a series of punctiform recesses 45b along each trench 45a are formed ( Figure 4d), Figure 4h)).
  • the surface of the first electrical contact layer 41b and of the substrate 44 is directly adjacent to one another (FIG. 4d) and 4h)), so that a step is formed in the form of a local stepped trench 45a, 45b. Since this structuring P2 is punctiform structuring along one side of the trench 45a, the semiconducting layers 42 and the second electrical contact layer 43 of element B are maintained over a large area of the power generation module.
  • the punctiform recesses 45b on the trenches are one-sided, since there only the surface 41b of the first contact layer is unilaterally exposed above the exposed substrate surface.
  • the recesses 45b have a diameter of about 200 microns. Depending on the distance up to about 100 recesses per trench can be formed. P2 is thus often repeated along the trench 45a, so that the first electrical contact layer 41b is unilaterally exposed in the photovoltaic element B by punctiform recesses 45b. In this way, local step trenches 45a, 45b are arranged in the region of the first recesses 45b in the trench.
  • insulator 46 made of lacquer is disposed on both sides of the edge of each trench 45a and over the recess 45b in the aforementioned region of the punctiform recesses 45b.
  • the insulator is laterally arranged over its flanks except for the surface 43a, 43b of the second electrical contact layer 43 thereon (FIG. 4 e): cross section; Fig. 4 i): supervision).
  • the color Dupli-Color Aerosol Art of the company Motip Dupli GmbH with the color RAL 9005 is used as insulator 46 and can be sprayed 8 ⁇ m thick become.
  • the insulator can be sprayed through a metal mask with a corresponding geometry.
  • the metal mask has punctiform openings with a diameter of about 1.5 millimeters.
  • FIG. 4 e) and FIG. 4 i) an insulator geometry according to FIG. 4 e) and FIG. 4 i) can be achieved.
  • one of the two sides in this case the side with the surface 43 a of the second electrical contact layer 43 in lateral extent laterally less covered by the insulator point 46 of a non-conductive material, as the opposite side surface 43 b .
  • the surface 43 a (left in the picture) is covered with the insulator in a lateral extent of about 500 ⁇ m.
  • the lateral extent of the surface 43b (right in the picture) with insulator is about 800 microns.
  • a plan view of Fig. 4 e) is the Fig. 4 i) for a recess.
  • the application of the insulator 46 and the choice of the mask is such that along all the trenches 45a all the recesses 45b and the surface regions 43a and 43b of the second electrical contact layer are spot-covered with the insulator 46 in this way.
  • no strip-like application of the insulator is provided in the fourth exemplary embodiment. Rather, the insulator 46 is punctiform according to the recesses for filling the recesses 45b and on the surface of the second electrical contact layer 43 a, 43 b arranged. A better energy efficiency of the module is given by enlarging its area.
  • the insulator 46 is locally and punctiform removed. In this case, a smaller punctiform recess 47 is formed in the former recess 45a, 45b.
  • P3 is located in the area of P2.
  • the surface of the first electrical contact layer is exposed and in the present case, the substrate see Fig. 4 f).
  • P3 must not expose the second electrical contact layer or the semiconductor.
  • Each recess 47 is bordered by the insulator 46a, 46b, so that in the following an electrical short circuit is avoided.
  • the surface 41c of the first electrical contact layer of an element B is exposed.
  • P3 is performed by selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 20E SHG.
  • the power of the laser is 8.1 mW at a pulse frequency of 0.16 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 300 mm. In this case, the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated.
  • the focused beam in this case has an almost Gaussian intensity distribution, whereby each pulse results in a circular ablation with a diameter of approximately 100 ⁇ m and thus smaller than P2.
  • the laser forms within the former now filled-in first trenches 45 a and the recesses 45 b a punctiform local stepped trench 47 (FIG. 4 f)).
  • the surface of the first electrical contact layer 41c and the surface of the substrate 44 are in turn exposed directly next to one another as a step or step (see Fig. 4 f)). Only on the basis of the cross-sectional view of the insulator behind the leaf level in the bold edged portion of Fig. 4 f) recognizable.
  • the second dot-shaped recesses 47 are again locally filled with contact material 48, so that contact is made from the surface of the second electrical contact layer of a photovoltaic element A to the first electrical contact layer of an adjacent element B.
  • the exposed surface 41c of the first electrical contact layer of element B in the second recess 47 is electrically contacted only with the surface of the second electrical contact layer 43a of the photovoltaic element A (FIG. 4 g)).
  • this requires less contact material for backfilling the step trench and the area for energy conversion is increased compared to the first exemplary embodiments 1 to 3.
  • Silver having a thickness of about 200 nm can be used as the contact material.
  • the filling of the recesses 47 also takes place by means of masking.
  • a mask similar to the mask for applying the insulator, is used.
  • This mask has openings at the same location as the mask used to apply the insulator, but the openings have a different geometry. These are strip-shaped openings with a width of about 0.5 mm and a length of about 2 millimeters, see Figure 4 a, (left in the picture) and Fig. 4 k).
  • the shorter side is arranged parallel to the trench 45a.
  • the silver is applied to the substrate through a thermal evaporation process through the mask.
  • the recesses 47 are filled with contact material 48 such that only the surface of the second electrical contact layer 43a of the element A and not the surface of the second electrical contact layer 43b of the photovoltaic element B with the exposed surface of the first electrical contact layer 41c in the holes 47 is contacted.
  • This is achieved by a slightly offset alignment of the mask by about 0.5 mm compared to the alignment of the mask during the application of the insulator as well as the changed geometry of the openings of the mask.
  • FIG. 4 k) as a plan view of FIG. 4 g) illustrates the relationship for a single recess 47 on a trench 45 a.
  • the basis of the exemplary embodiment is a solar cell which is produced on a 10 ⁇ 10 cm 2 glass substrate of thickness 1.1 mm.
  • the thickness of the microcrystalline pin layer stack 52 (active semiconductor layer, FIG. 5) amounts to a total of approximately 1300 nanometers.
  • the microcrystalline layer stack is disposed on a first electrical contact layer 51 of wet-chemically textured zinc oxide having a thickness of about 800 nanometers.
  • the second electrical contact layer 53 is a layer system of about 80 nanometers zinc oxide in combination with a 200 nm thick silver layer. On the silicon layer stack on the side of the second electrical contact layer, first the zinc oxide layer, followed by the silver layer, is arranged.
  • the first structuring Pl (FIG. 5 c)) material is removed by laser ablation from the second electrical contact layer 53 and the active semiconductor layers 52, as well as from the first electrical contact layer 51, so that the surface of the substrate 54 in the trenches 55 a is exposed over the length of the photovoltaic elements.
  • Pl is successively performed for all the photovoltaic elements A, B, C to be formed and so on.
  • the laser is guided for this purpose by a relative movement over the surface of the substrate. Distance and power are adjusted so that material of layers 51, 52 and 53 are removed.
  • the laser used is a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE THG.
  • the wavelength of the laser is 355 nm.
  • This wavelength is specific for the ablation of the materials of layers 51 to 53.
  • An average power of 390 mW is selected at a pulse repetition rate of 15 kHz.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is about 580 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused onto the layer side of the substrate with the aid of a focusing unit with a focal length of 100 mm.
  • the beam is passed from the substrate side to the layers to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of about 53 ⁇ m.
  • a variety of z. B. about 8 to 12 trenches 55a for the photovoltaic elements A, B, C and so on are so arranged on the substrate 54 parallel next to each other, see Figure 5 a), vertical lines in the module right (top view). Between two immediately adjacent hard photovoltaic elements A, B or B, C and so on is in each case a trench 55 a to Pl before. Pl runs with computer-aided control. The structuring Pl is repeated as many times as photovoltaic elements A, B, C and so forth are to be generated.
  • the layers 52 and 53 are removed in certain areas over the length of the photovoltaic elements. In the present case, these are arranged punctiformly and on one side of each trench 55a along the dashed line P4 to the surface of the first electrical contact layer (FIG. 5 d)). Only due to the cross-sectional view is shown in Fig. 5 d), the material of the layer 52 and the layer 53 behind the leaf level in the region of the punctiform recess 55b recognizable.
  • the point-shaped recesses 55b have in the direction of the strip-shaped trench 55a, that is, over the length of a photovoltaic element, a distance of about 1 to 5 millimeters to each other. Other distances and sizes can be selected.
  • a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG is used as a laser for removing the material from the layers 52 and 53 in the region 55b.
  • the wavelength of the laser is 532 nanometers and is specific for the removal of the layers 52, 53.
  • An average power of 48 mW at a pulse repetition rate of 0.16 kHz is selected.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is about 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate.
  • the beam is conducted from the substrate side onto the layers to be ablated through the transparent substrate.
  • the focused beam has approximately a Gaussian intensity distribution.
  • Each pulse results in a circular ablation with a diameter of about 200 microns.
  • the diameter of the circular ablation was applied by means of an expansion optics and adjusted before focusing the laser
  • the photovoltaic elements A, B, C and so on are separated from each other by the two patterns Pl, P2 to the substrate 54.
  • the stripe-shaped parallel photovoltaic elements A, B, C and so on are electrically and spatially isolated from each other through the trenches 55a along the length of the photovoltaic elements on the substrate 54.
  • a plurality of first trenches 55a each having dot-shaped recesses 55b on one side are formed to separate the photovoltaic elements A, B, C and so on.
  • first punctiform recesses 55b in the trenches For example, the surface of the first electrical contact layer 51b and of the substrate 54 is present directly next to one another, so that a step is formed in the form of a local step trench 55a, 55b according to the invention. Since this structuring P2 is a multiplicity of punctiform patterns along the length of the trenches 55a of the layer structure, the semiconducting layers 52 and the second electrical contact layer 53 remain over a large area along the strip-shaped trenches 55a. Advantageously, this increases the area available for generating energy.
  • the punctiform recesses 55b in the trenches are arranged on one side, since in the punctiform recesses 55b only the surface 51b of the first contact layer, right hand of the trench 55a, ie of the element B, is exposed. P2 is repeated until the layers 51, 52 and 53 for a plurality of strip-shaped, mutually parallel photovoltaic elements A, B, C are separated in the trenches 55a and can be isolated by punctiform recesses 55b.
  • the recesses have a diameter of about 200 microns.
  • In the region of the first recesses 55b locally arranged stepped trenches 55a and 55b are formed. As far as this embodiment follows the fourth exemplary embodiment of FIG. 4.
  • the insulator 56 is designed as a non-electrically conductive and diffusely reflecting layer and arranged over the entire surface until all local stepped trenches 55a, 55b and the surface 53 of the second electrical contact layer are covered with it. This is done by screen printing. Compared to the other embodiments, this step is advantageously faster.
  • a "white reflector" is advantageously selected as the insulator, for example white color 3070 from Marabu
  • the layer thickness is, for example, about 20 ⁇ m.
  • the insulator 56 is punctiform and selectively removed or patterned in the former step trenches 55a, 55b by the patterning P3a.
  • the resulting punctiform stepped trench 57a is positioned by P3a so that it is located between the right and the left outer edge of the former stepped trench 55b, 55a.
  • P3a is done so that the surface of the first electrical contact layer 51c of element B is exposed. The removal takes place by means of selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rofin, type RSY 2OE SHG.
  • the power of the laser is 8.1 mW at a pulse rate of 0.16 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate. In this case, the beam is conducted from the substrate side through the transparent substrate onto the layer to be ablated.
  • the focused beam has a nearly Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of about 100 ⁇ m.
  • the laser forms within the former now filled first step trenches 55a, 55b a second punctiform step trench 57a, see Figure 5 f).
  • the removal is done by means of selective laser ablation by selecting a Nd: YVO 4 laser from Rof ⁇ n, type RSY 2OE SHG.
  • the power of the laser is 8.1 mW at a pulse frequency of 0.16 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused by means of a focusing unit with a focal length of 300 mm on the layer side of the substrate.
  • the beam is passed from the layer side to the layer to be ablated.
  • the focused beam in this case has an almost Gaussian intensity distribution, with each pulse resulting in a circular ablation with a diameter of about 100 microns.
  • a plan view to Fig. 5 f) is the Fig. 5 i).
  • the exposed surface 51c of the first electrical contact layer of the photovoltaic element B in the recesses 57a is electrically contacted with the surface of the second electrical contact layer 53 of the photovoltaic element A and B (FIG. 5 g)).
  • this application of the contact material 58 is fast and inexpensive material such as aluminum or silver, since the requirements for the reflection due to the white reflector as an insulator are not given. As an added effect, this reflection of the insulator is even enhanced by the choice of silver or aluminum contact.
  • P4 for electrical isolation along the dashed line along the length of all photovoltaic elements.
  • P4 is generated by laser ablation.
  • EinNd YVO 4 laser from Rof ⁇ n, type RSY 20E SHG is selected.
  • the power of the laser is 8.1 mW at a pulse frequency of 0.16 kHz and the wavelength is 532 nm.
  • the speed of the relative movement between laser beam and substrate is 800 mm / s.
  • the pulse duration of the individual pulses is about 13 ns.
  • the laser radiation is focused on the layer side with a focusing unit with a focal length of 300 mm.
  • the beam is conducted from the layer side (back contact) onto the layer 56 to be ablated.
  • the focused beam has a nearly Gaussian intensity distribution, with each pulse giving a circular ablation with a diameter of about 100 ⁇ m.
  • this completes the electrical contact between the surface of the second electrical contact layer 53a and the surface of the first electrical contact layer 51c, and thus the series connection of the two photovoltaic elements A and B (FIG. 5h)).
  • the insulation is produced by the formation of the strip-shaped trench 58a over the length of the photovoltaic elements.
  • a top view is given in FIG. 5 j). A short circuit in element B is thereby avoided.
  • the contact material 58 silver or aluminum may be used as the material.
  • the filling of the second point-shaped recesses 57a takes place by means of sputtering. According to P4, only the surface of the second electrical contact layer 53a of the photovoltaic element A and not the surface of the second electrical contact layer 53b of the photovoltaic element B is contacted with the exposed surface of the first electrical contact layer 51c in the punctiform recesses 57a. This process is repeated for all trenches and photovoltaic elements.
  • the process steps in the exemplary embodiments are to be considered in a non-limiting nature.
  • the lateral dimensions of the stepped trenches, and the size and spacing of the insulator and contact strips, or points, and the layer materials of the layers of the photovoltaic elements as such and also the composition of the insulator, as well as the contact material, are not intended to limit the Invention lead but rather be interpreted widely.
  • a suitable ink for.
  • conventional inkjet printer ink can be used as an insulator.
  • the methods according to exemplary embodiments are also applicable at the same time.
  • 1 to 10 further exemplary embodiments 11 to 20 are indicated, in which the insulator and / or the contact material are applied with a computer-aided ink jet printer according to the exemplary embodiments.
  • Rea refers to a geometry over only a smaller area of the surface of a photovoltaic element, eg a region in the form of a dot, see eg Fig. 4 h) - k) or Fig. 5 i) are perforated along the strips W
  • this contact surface layer is finally structured (see Fig. 5).
  • step Ig) only the application of contact material in areas is possible

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul und ein Solarmodul.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem
Solarmodul und Solarmodul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul und auf ein Solarmodul.
Stand der Technik
Die Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul dient der Addierung der in den Elementen erzeugten lichtinduzierten Energie, ohne dass ein Kurzschluss hierin erzeugt wird. Hierzu wird ein erster elektrischer Kontakt mit einem zweiten elektrischen Kontakt zweier photovoltaischer Elemente leitfähig miteinander verbunden, wobei die Kontakte, auch Elektroden genannt, auf den gegenüberliegenden Seiten der aktiven Halbleiterschichten angeordnet sind.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, auf einem Substrat einen ersten elektrischen Kontakt ganzflächig aufzubringen. Hiernach wird dieser, ausgehend von der Oberfläche bis hinunter in das Substrat, durch einen ersten Strukturierungsschritt in eine Mehrzahl parallel angeordneter Streifen unterteilt. Nach dem ersten Strukturierungsprozess werden ganzflächig aktive Halbleiterschichten aus einer p-i-n- oder p-i-n-p-i-n-Struktur auf der Oberfläche des strukturierten ersten Kontakts aufgebracht und so die darin befindlichen Gräben aufgefüllt. Die Halbleiterschichten werden durch einen zweiten Strukturierungsprozess, ausgehend von deren Oberfläche bis zur Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts, in eine Mehrzahl von Streifen unterteilt. Dieser zweite Strukturierungsprozess und damit die Unterteilung der Halbleiterschichten findet möglichst nahe neben und parallel zum ersten Strukturierungsprozess und den Gräben des ersten elektrischen Kontakts statt. Hiernach wird auf dem derart strukturierten ersten elektrischen Kontakt und den parallel hierzu verlaufenden Halbleiter- Streifen ein zweiter elektrischer Kontakt auf der Oberfläche des streifenförmig unterteilten photovoltaischen Elements angeordnet und wiederum in Streifen unterteilt. Durch den dritten Strukturierungsprozess wird der zweite elektrische Kontakt, ausgehend von dessen Oberfläche bis zur Oberfläche der Halbleiterschichten, in eine Mehrzahl von Streifen unterteilt. Die- ser dritte Strukturierungsprozess findet möglichst nahe neben und parallel zum zweiten Struk- turierungsprozess und parallel, aber weiter entfernt vom ersten Strukturierungsprozess statt.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Vakuumprozess zur Abscheidung der einzelnen Kontakte und des photovoltaischen Elements durch die Strukturierungsprozesse unterbrochen werden muss. Weiterhin nachteilig ist, dass vor jedem Strukturierungsprozess das gesamte Modul justiert und neu ausgerichtet werden muss. Dadurch treten im Effekt Verschaltungs- verluste durch die Strukturierungen und Unterteilungen auf. Die Temperaturunterschiede während der Strukturierungsprozesse dürfen nur gering sein. Parasitäre Parallelwiderstände treten durch die auf dem ersten elektrischen Kontakt aufgebrachten dotierten Schichten auf. Sofern hochleitfähige Zwischenschichten angeordnet werden, können Kurzschlüsse von den Einzelzellen durch den zweiten elektrischen Kontakt auftreten.
Außerdem weist das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren Nachteile bei der Nutzung von elektrisch leitfähigen Schichten im Bereich zwischen den p-i-n-Strukturen auf, da durch diese elektrisch leitfähigen Schichten in Kombination mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die zweite p-i-n- Struktur elektrisch kurzgeschlossen werden kann.
Aus der WO 2008/074879 A2 ist ein weiteres Verfahren zur Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu Solarmodulen bekannt. Dieses Verfahren sieht vor, auf einem Substrat zunächst ganzflächig einen ersten elektrischen Kontakt, bzw. eine erste Elektrode, und hierauf wiederum ganzflächig die aktiven Halbleiterschichten für die Solarzelle abzuscheiden. Sodann werden zwei Strukturierungsprozesse nacheinander durchgeführt, bei denen nahe zueinander, aber nicht unmittelbar aneinander die Gräben gebildet werden. Ein erster Graben wird bis hinunter zur Oberfläche des Substrats, und der zweite Graben wird parallel zum ersten Graben bis zur Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts gebildet. Der erste Graben bis zur Oberfläche des Substrats wird sodann grobflächig mit einem Isolator aufgefüllt, so dass der zweite Graben hiervon nicht berührt wird. Sodann wird ein Lift-Off-Material parallel zum ersten und zweiten Graben auf der Oberfläche des photovoltaischen Elements abgeschieden. Das Lift-Off-Material ist dabei weiter von dem Isolator als von dem zweiten Graben entfernt angeordnet. Sodann wird das Material für den zweiten elektrischen Kontakt, bzw. der zweiten Elektrode, ganzflächig auf der so gebildeten Schicht-Struktur abgeschieden und der zweite Graben aufgefüllt sowie der Isolator und das Lift-Off Material hiermit bedeckt. Nach einer lokalen Entfernung des zweiten elektrischen Kontakts oberhalb des Lift-Off Materials ist ein Graben in dem zweiten elektrischen Kontakt bis zur Oberfläche des aktiven Halbleitermaterials gebildet und damit die Serienverschaltung hergestellt.
Nachteilig ist dieses Verfahren nicht tauglich für eine industrielle Serienverschaltung der einzelnen Solarmodule. Die Verfüllung mit einem Isolator und mit einem Lift-Off und das dadurch bedingte Verfahren verhindern den gewünschten hohen Durchsatz bei der Bildung der Interkonnekte und der Serienverschaltung.
Aus der WO 2007/044555 A2 ist ein weiteres Verfahren zur Strukturierung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu Dünnschicht-Solarmodulen bekannt. Dieses Verfahren sieht vor, ganzflächig einen Stapel aktiver und leitfähiger Schichten zur Bildung der Solarzelle auf dem Substrat in einem einzigen Abscheideprozess nacheinander anzuordnen. Sodann werden die Strukturierungsprozesse nacheinander durchgeführt und dadurch die Interkonnekte zur Serienverschaltung der einzelnen Solarmodule hergestellt. Auf diese Weise werden vorteilhaft die verschiedenen Justagen nach den einzelnen Abscheideprozessen vermieden. Das Verfahren sieht vor, nach der Abscheidung des zweiten elektrischen Kontakts, zwei aufeinander folgende Strukturierungsprozesse durchzuführen. Dabei wird eine erste Strukturierung von der Oberfläche des zweiten elektrischen Kontakts bis hinunter zum Glassubstrat und eine zweite weitere Strukturierung unmittelbar neben und parallel zur ersten Strukturierung, bis zur Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts, durchgeführt. Nach dem Freilegen des Substrats und dem ersten elektrischen Kontakt ist so ein leitender Absatz bzw. eine Stufe gebildet, welcher von der Oberfläche des zweiten elektrischen Kontakts bis hinunter zum Substrat mit einem Isolator verfüllt wird. Die freigelegte Stufe bzw. der Absatz und damit die Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts sowie ein Teil des Substrats bleibt hiervon unberührt. Sodann wird auf diesem Isolator zur Bildung des Interkonnekts die Verbindung von der Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts bis zur Oberfläche des zweiten elektrischen Kontakts durch leitfähiges Material gebildet. Dieses Verfahren ist in Fig. 6 ff. beschrieben. Nachteilig ist auch dieses Verfahren nicht tauglich für die industrielle Serienverschaltung der einzelnen photovoltaischen Elemente. Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bildung und Serienverschaltung photovoltai- scher Elemente zu Solarmodulen anzugeben, welches leichter durchzuführen ist, und einen höheren Durchsatz erzielt als aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Auf einem Substrat wird eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet. Als Substrat werden z. B. die in der (Dünnschicht-) Solarzellentechnologie gebräuchlichen Substrate oder Su- perstrate eingesetzt. Hierzu zählen Metallfolien aus Stahl oder Aluminium (Substrat), Plastikfolien aus PEN, oder die in der Superstrattechnologie vorgesehenen Glassubstrate mit oder ohne nicht-leitfähige Zwischenschichten auf der Oberfläche.
Als erste elektrische Kontaktschicht kommen insbesondere Materialien, wie z. B. die in der Substrattechnologie verwendeten Silber/ZnO-Schichten und die in der Superstrattechnologie verwendeten ZnO-, SnO2- oder ITO-Schichten in Betracht.
In einem zweiten Schritt werden auf der ersten elektrischen Kontaktschicht aktive Halbleiterschichten, insbesondere p-i-n- oder p-i-n-p-i-n- oder entsprechende n-i-p-Strukturen, übereinander ganzflächig angeordnet.
Als p-i-n- Struktur wird beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium verwendet. Als p-i-n-p-i-n-Struktur kommt beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium und mikrokristallinem Silizium in Betracht.
In einem weiteren Schritt wird auf den aktiven Halbleiterschichten eine zweite elektrische Kontaktschicht auf der der ersten Kontaktschicht gegenüber liegenden Seite der Halbleiterschichten angeordnet. Dadurch wird eine Schichtstruktur, umfassend ein Substrat / Superstrat, mit oder ohne eine nicht-leitfähige Zwischenschicht, eine hierauf angeordnete erste elektrische Kontaktschicht, eine hierauf angeordnete Halbleiterstruktur sowie eine hierauf angeordnete zweite elektrische Kontaktschicht bereitgestellt. Zur Abscheidung kann ein PECVD-Verfahren oder Sputterverfahren oder Photo-CVD- oder HWCVD- oder ein vergleichbares Verfahren genutzt werden.
Es werden sodann eine Mehrzahl parallel angeordneter Stufengräben zur Ausbildung und Trennung einer hierzu entsprechenden Mehrzahl streifenförmiger photovoltaischer Elemente (A, B, C.) gebildet. Die Ausbildung der Stufengräben kann mittels geeigneter Wahl an Lasern mit verschiedenen Wellenlängen und in Abhängigkeit der zu entfernenden Materialien selektiv in einem Schritt oder aber in zwei Schritten vollzogen werden. In den Stufengräben wird jeweils die Oberfläche des Substrats / Superstrats und die Oberfläche der ersten Kontaktschicht nebeneinander stufenförmig freigelegt.
Die Stufengräben werden wie folgt hergestellt. In den Stufengräben wird die Oberfläche des Substrats über die Länge der photovo Itaischen Elemente z. B. streifenförmig freigelegt. An Stelle der Streifenform kann auch eine Mäanderform oder eine andersartige Form bei der Entfernung von Schichten über die Länge der Elemente gewählt werden.
Die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht neben der freigelegten Substratoberfläche kann, wie die Substratoberfläche, z. B. streifenförmig über die gesamte Länge der photo- voltaischen Elemente, oder, über die Länge der photovoltaischen Elemente gesehen, lokal in Bereichen freigelegt werden. Dabei werden die Halbleiterschichten und die zweite elektrische Kontaktschicht entfernt, so dass die Stufengräben gebildet werden. Die Halbleiterschichten und die zweite elektrische Kontaktschicht können z. B. in Form von Punkten in gewissen Abständen hintereinander entfernt werden. Im letzteren Fall, ist die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht lediglich in Bereichen, das heißt, an bestimmten Punkten oberhalb des Substrats, freigelegt.
Es ist denkbar, die freigelegte Substratoberfläche und die freigelegte erste elektrische Kontaktschicht in den Stufengräben nicht unmittelbar nebeneinander frei zu legen. Dann verbleiben schmale Stege dazwischen.
Die parallel angeordneten Stufengräben unterteilen die Schichtstruktur in eine entsprechende Mehrzahl parallel angeordneter z. B. streifenförmiger photovoltaischer Elemente. Jedes pho- tovoltaische Element umfasst die Schichtenfolge aus Substrat / Superstrat, gegebenenfalls Zwischenschicht, erster elektrischer Kontaktschicht, aktiver Halbleiterschichten sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht. Die photovoltaischen Elemente liegen entsprechend der Strukturierungen parallel nebeneinander vor.
Das Verfahren sieht vor, sodann zumindest in den Stufengräben Isolatormaterial anzuordnen. Das Aufbringen des Isolators in Streifen- oder Punktform kann z. B. durch Sprühen durch eine entsprechend angeordnete Maske, oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldrucker mit oder ohne Maske erfolgen. Der Drucker ist vorzugsweise computergesteuert. Es kann konventionelle Tintenstrahldruckertinte verwendet werden.
Vorteilhaft an dieser Strukturierung ist, dass die Anordnung des Isolators in den Stufengräben nicht besonders exakt erfolgen muss. Vielmehr kann der Isolator seitlich über den Flanken der Stufengräben bis auf die seitlich an die Stufengräben angrenzenden Oberflächenbereiche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet werden. Der Isolator muss den Stufengraben auch nicht vollständig auffüllen. Es reicht aus, die Oberfläche der Schichten in den Stufengräben als dünne Schicht zu bedecken.
Der Isolator weist wenigstens die laterale Ausdehnung des Stufengrabens auf. Er wird im Stufengraben angeordnet, so dass die freigelegten Oberflächen des Substrats und der ersten elektrischen Kontaktschicht mit Isolator bedeckt werden. Der Isolator kann seitlich über die beiden Flanken des Stufengrabens hinaus die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht beidseitig entlang der Gräben bedecken. Dadurch wird vorteilhaft eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zum Stand der Technik bewirkt. Der Isolator kann photolithographisch mittels Maskentechnologie angeordnet werden. Der Isolator kann in einer Ausgestaltung der Erfindung auch ganzflächig auf die Schichten und die Stufengräben aufgebracht werden.
Für die Serienverschaltung wird in den Stufengräben der Isolator lokal wieder entfernt, so dass in den entstehenden Ausnehmungen die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht und optional auch des Substrats / Superstrats in zweiten Stufengräben freigelegt wird. Nicht freigelegt werden die Halbleiterschichten sowie die zweite Kontaktschicht. Ausreichend ist die Freilegung der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht durch die Entfernung des Isolators. Im Falle, dass auch die Oberfläche des Substrats / Superstrats freigelegt wird, wird ein zweiter Stufengraben gebildet. Bei jeweils zwei benachbarten photovoltaischen EIe- menten wird dabei lediglich die erste Kontaktschicht eines der beiden benachbarten Elemente freigelegt. Der Isolator kann streifenförmig über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente oder Bereiche, das heißt lokal, entfernt werden. Die in den Gräben freigelegte Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht eines bestimmten photovoltaischen Elements und gegebenenfalls des Substrats / Superstrats wird sodann mit der zweiten elektrischen Kontaktschicht des benachbarten photovoltaischen Elements elektrisch in Serie geschaltet, ohne das Kurzschlüsse gebildet werden.
Hierzu wird Kontaktmaterial von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements, bis zu der von Isolatormaterial freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht des benachbarten photovoltaischen Elements angeordnet, so dass beide benachbarten photovoltaischen Elemente miteinander in Serie geschaltet sind. Dieser Vorgang wird für alle photovoltaischen Elemente wiederholt. Als Kontaktmaterial wird elektrisch leitfähiges Material, wie z. B. Silber, vorzugsweise mittels Tintenstrahldruck oder Siebdruck aufgetragen.
Durch das Verfahren können punktförmige oder streifenförmige, über die Länge der photovoltaischen Elemente verlaufende Bereiche an Isolatormaterial und / oder Kontaktmaterial gebildet werden.
Der Schritt, wonach der Isolator in den Stufengräben angeordnet wird, sowie der Schritt, wonach das Kontaktmaterial zur Serienverschaltung der benachbarten photovoltaischen Elemente von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements bis zur Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten photovoltaischen Elements angeordnet wird, lassen das Verfahren besonders vorteilhaft deutlich schneller als gemäß des Standes der Technik erfolgen.
Das Isolatormaterial und das Kontaktmaterial können im Vergleich zum Stand der Technik, nämlich lateral vergleichsweise unpräzise in den Stufengräben und auch über die beiden seitlichen Flanken der Gräben bis hinauf auf die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet werden. Es ist nicht notwendig, dass der Isolator, bzw. das Kontaktmaterial, die Gräben vollständig verfüllen. Es ist auch nicht nötig, dass das Isolatormaterial und das Kontaktmaterial lediglich in Teilbereichen des Grabens, wie im Stand der Technik bekannt, anzuordnen. Vielmehr ist sicher zu stellen, dass die freigelegte Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht und die gegebenenfalls freigelegte Substratoberfläche im Grund des Grabens sowie die an den beiden Flanken des Grabens freigelegten Oberflächen des Schichtsystems bedeckt werden. Hierdurch wird ein elektrischer Kurzschluss der Elemente vermieden.
Ein Stufengraben kann in Abhängigkeit vom Verfahren laterale Abmessungen von z. B. 10- 100, vorzugsweise 50-100 μm aufweisen. Der Isolatorstreifen und die Isolatorpunkte, bzw. - Bereiche, können größere laterale Abmessungen, bzw. Durchmesser, aufweisen, z. B. bis zu einigen Millimetern. Dasselbe gilt für das Kontaktmaterial.
Der Isolator kann als Streifen laterale Abmessungen von bis zu 5 mm aufweisen. Selbiges gilt dann für das Kontaktmaterial, das nach der Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht auf die Schichtstruktur zur Serienverschaltung angeordnet wird.
Das Isolatormaterial und das Kontaktmaterial können beispielsweise in einem Faktor 1 bis 100 mal breiter als der Stufengraben selbst in diesem und gegebenenfalls auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet werden.
Vorteilhaft lässt sich mit der Abscheidung aller Schichten nacheinander ohne Strukturierung derselben, also von Substrat / Superstrat und erster elektrischer Kontaktschicht und aktiven Halbleiterschichten und zweiter elektrischer Kontaktschicht, eine deutliche Beschleunigung des Verfahrens erzielen. Eine weitere Beschleunigung erfolgt nach den Strukturierungen mit dem Aufbringen von Isolator- und Kontaktmaterial in einer lateralen Abmessung größer als die laterale Abmessung des Stufengrabens und der anschließenden lokalen Entfernung zur Freilegung der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht. Auf diese Weise lässt sich eine viel schnellere Serienverschaltung als nach dem Stand der Technik realisieren.
Das Verfahren hat nach der Aufbringung des Isolators, bzw. des Kontaktmaterials, in insbesondere punktförmigen Bereichen das Potential, Solarzellen mit einer großen Fläche für die Stromerzeugung herzustellen. Es werden neuartige Solarzellen mit strukturierten und mit Kontaktmaterial aufgefüllten Isolatorbereichen bereitgestellt.
Zur Auffüllung der Stufengräben mit Isolator- und Kontaktmaterial wird besonders bevorzugt ein Tintenstrahldruckverfahren verwendet. Ein Tintenstrahldrucker kann sowohl zum Druck von leitfähiger Silbertinte, als auch von isolierender Druckertinte, verwendet werden. Der Drucker kann computergesteuert das gesamte Verfahren weiter beschleunigen.
Es kann auch mittels Masken und Sprüh- und / oder Photolithographietechnik oder geeigneter Siebdrucktechnik, Spincoating und so weiter, das Isolatormaterial und / oder das Kontaktmaterial zur Serienverschaltung aufgebracht werden.
In Abhängigkeit vom verwendeten Laser und dessen Wellenlänge wird eine materialselektive Laserablation angewendet, bei der sowohl das Halbleitermaterial der aktiven Halbleiterschichten, als auch die erste und / oder zweite elektrische Kontaktschicht oder der Isolator oder das Kontaktmaterial entfernt werden kann. Es kann ein Laserkopf mit zwei oder mehr Lasern verwendet werden. Eine Laserablation im Sinne der Erfindung verläuft vorzugsweise computergesteuert.
Der Isolator wird ganzflächig oder streifenförmig über die gesamte Länge der photovoltai- schen Elemente oder lediglich in Bereichen, z. B. punktförmig, in den ersten Stufengräben und auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet.
Eine streifenförmige Anordnung des Isolators in den Stufengräben erfolgt vorteilhaft schnell, eine punktförmige Anordnung des Isolators in den Stufengräben bewirkt besonders vorteilhaft, dass die zur Energiegewinnung zur Verfügung stehende Fläche für die Umwandlung und Erzeugung von Energie vergrößert wird. Eine ganzflächige Anordnung des Isolators, auch auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht, verläuft besonders unpräzise und damit sehr schnell. Die Dicke des Isolators kann wenige Nanometer bis einige Mikrometer betragen.
Auch das Kontaktmaterial kann in Bereichen, das heißt z. B. streifenförmig über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente oder punkt- bzw. fingerförmig von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements, bis zur freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht eines hierzu benachbarten photovoltaischen Elements, angeordnet werden. Das Kontaktmaterial kann auch ganzflächig angeordnet werden und die Oberfläche der Schichtstruktur bedecken.
Als Kontaktmaterial können Chrom und vorzugsweise Silber und Aluminium verwendet werden.
Punktförmige Anordnungen des Isolators sowie dessen Strukturierung und die Anordnung des Kontaktmaterials im Isolator verlaufen vorzugsweise perforationsartig über die Länge der photovoltaischen Elemente.
Es ist eine Vielzahl denkbarer Kombinationen möglich, mit der der Isolator erfindungsgemäß strukturiert und das Kontaktmaterial angeordnet bzw. strukturiert werden kann, ohne Kurzschlüsse herzustellen. Eine Übersicht gibt Tabelle 1.
Sofern der Isolator auf die Schichten in den Stufengräben und ganzflächig auch auf die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet wird, werden die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht in den Stufengräben und gegebenenfalls die Oberfläche des Substrats darin sowie benachbart zu den Stufengräben die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht durch lokale Entfernung des Isolators wieder freigelegt. Es entstehen im Isolator im Bereich der Stufengräben und benachbart hierzu auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht perforationsartig bereichsförmige Ausnehmungen. Die Ausnehmungen im Bereich der ersten Stufengräben werden derart gebildet, dass im Weiteren Kurzschlüsse durch stehen bleibendes Isolatormaterial vermieden werden. Das heißt, dass in den Stufengräben Halbleitermaterial und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht nicht freigelegt werden. Sodann kann wiederum ganzflächig Kontaktmaterial auf dieser Schichtstruktur abgeschieden und in die Stufengräben sowie als Deckschicht ein- bzw. aufgebracht werden. Da auch dieser Schritt unpräzise vorgenommen wird und auf der gesamten Oberfläche der Schichtstruktur Kontaktmaterial angeordnet wird, verläuft dieser Schritt wiederum sehr schnell. Abschließend wird sodann in einem Strukturierungsschritt an geeigneten Stellen die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht freigelegt und die Serienverschaltung abgeschlossen, ohne dass Kurzschlüsse entstehen können. Vorteilhaft wird auf diese Weise das Kontaktmaterial auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht so entfernt, dass eine Se- rienverschaltung der photovoltaischen Elemente erfolgt.
Durch Wahl eines Materials für die zweite elektrische Kontaktschicht mit einer geringeren Leitfähigkeit als das der ersten elektrischen Kontaktschicht wird vorteilhaft bewirkt, dass weniger Licht im Bereich der Kontaktschichten absorbiert wird.
Als Isolator kann ein so genannter „weißer Reflektor" gewählt werden, z. B. weiße Farbe 3070 der Fa. Marabu. Hierdurch wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass die Reflektion und Streuung des Lichts zurück in die Solarzelle erhöht wird.
Die genannten Bereiche sind vorzugsweise punktförmig und verlaufen vorzugsweise perforationsartig über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente.
Es werden Solarmodule mit einer Vielzahl an parallel angeordneten photovoltaischen Elementen, zwischen denen Isolatormaterial angeordnet ist, hergestellt. Das Isolatormaterial ist strukturiert. In dem Isolatormaterial ist Kontaktmaterial angeordnet, welches die zweite elektrische Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements A, mit der ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten Elements B, kontaktiert. Alle photovoltaischen Elemente sind auf diese Weise miteinander serienverschaltet. Das Kontaktmaterial, welches die zweite e- lektrische Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements mit der ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten Elements kontaktiert, liegt entweder streifenförmig über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente, oder in Bereichen punktförmig angeordnet vor. Das Kontaktmaterial, welches die zweite elektrische Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements mit der ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten Elements kontaktiert, kann auch ganzflächig auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet vorliegen. Dann weist es eine Strukturierung nahe der Stufengräben auf, die gewährleistet, dass die photovoltaischen Elemente serienverschaltet sind, ohne dass Kurzschlüsse auftreten können.
Eine Anordnung von Isolator - und / oder Kontaktmaterial zur Serienverschaltung im Sinne der Erfindung verläuft vorzugsweise computergesteuert. Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von fünf Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren 1 bis 5 näher erläutert, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung vorgesehen ist.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 : Bildung und Serienverschaltung bevorzugter streifenförmiger photovoltai- scher Elemente zu einem Solarmodul. Der Isolator 6, 26, 36 ist als Streifen über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente in den ersten Stufengräben und auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet. Dasselbe gilt für das Kontaktmaterial.
Figur 4: Bildung und Serienverschaltung bevorzugter, streifenförmiger photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul, bei dem der Isolator 46 bevorzugt punktförmig in den ersten Stufengräben und auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet wird. Dasselbe gilt für das Kontaktmaterial.
Figur 5: Bildung und Serienverschaltung bevorzugter, streifenförmiger photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul, bei dem der Isolator 56 ganzflächig in den ersten Stufengräben und ganzflächig auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet wird. Dasselbe gilt für das Kontaktmaterial.
Die Figuren 1 a) bis 5 a) zeigen jeweils rechts im Bild in Aufsicht eine Mehrzahl streifenförmiger photovoltaischer Elemente in einem Solarmodul. Eine Ausschnittvergrößerung zeigt jeweils drei parallel zueinander angeordnete photovoltaische Elemente A-C. Die beiden Linien stellen Stufengräben zwischen den Elementen dar. Die Nomenklatur Pl bis P4 in den Figuren 1-5 gibt die ungefähre Lage und die Anzahl der Strukturierungen je Stufengraben an. Die streifenförmigen photovoltaischen Elemente A, B, C... werden gebildet aus der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht sowie den dazwischen angeordneten Halbleiterschichten, sowie gegebenenfalls weiterer Schichten.
Die Figuren 1 b) bis 5 b) zeigen jeweils den Ausgangspunkt des Verfahrens. Auf einem Su- perstrat 4, 24, 34, 44, 54 als Substrat mit einer Dicke von etwa 1,1 Millimeter ist eine erste elektrische TCO-Kontaktschicht 1, 21, 31, 41, 51 (Transparent Conductive Oxide) ganzflä- chig angeordnet. Die erste elektrische Kontaktschicht weist eine Dicke von etwa 600 Nano- meter auf.
Auf der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 1, 21, 31, 41, 51 sind die aktiven Halbleiterschichten 2, 22, 32, 42, 52 als p-i-n- oder als p-i-n-p-i-n-Struktur oder dergleichen angeordnet. Die Halbleiterschichten umfassen mindestens eine p-dotierte, mindestens eine undotierte sowie mindestens eine n-dotierte Schicht.
Auf der der ersten elektrischen Kontaktschicht 1, 21, 31, 41, 51 gegenüberliegenden Seite der aktiven Halbleiterschichten 2, 22, 32, 42, 52 ist die zweite elektrische Kontaktschicht 3, 23, 33, 43, 53 als Rückkontakt angeordnet, hier eine Metallschicht oder ein mehrlagiges Halbleiter-Metall-Schichtsystem mit einer Dicke von etwa 280 Nanometer.
Als Substrat 4, 24, 34, 44, 54 ist Glas mit einer Grundfläche von 100 cm2 gewählt. In einem ersten Abscheideprozess wurde hierauf die erste elektrische Kontaktschicht 1, 21, 31, 41, 51 aus ZnO abgeschieden. Mindestens eine p-i-n-Struktur, vorzugsweise eine p-i-n-p-i-n Struktur oder dergleichen als aktive Schichten 2, 22, 32, 42, 52 aus vorzugsweise Silizium wird auf der ersten elektrischen Kontaktschicht 1, 21, 31, 41, 51 abgeschieden und durch geeignete Dotierung mit Bor- und Phosphor dotiert. Auf den aktiven Halbleiterschichten wird die zweite e- lektrische Kontaktschicht 3, 23, 33, 34, 35 aus ZnO und Silber mittels PVD abgeschieden. Die Temperatur und andere Verfahrensparameter die zur Ausgangslage der Fig. 1 b) bis 5 b) führen sind dem Stand der Technik zu entnehmen. Ein PECVD- Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) oder ein anderes Verfahren kann zur Abscheidung der Schichten gewählt werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
Als Basis des Ausführungsbeispiels dient eine mikrokristalline Solarzelle, welche auf einem 10x10 cm2 großen Glassubstrat der Dicke 1,1 mm hergestellt wird. Die Dicke des mikrokristallinen p-i-n-Schichtstapels als aktive Halbleiterschicht 2 in Fig. 1 beträgt insgesamt etwa 1300 Nanometer. Der mikrokristalline Schichtstapel ist auf einer ersten elektrischen Kontaktschicht 1 aus nasschemisch texturiertem Zinkoxid mit einer Dicke von etwa 800 Nanometer angeordnet. Als zweiter elektrischer Kontakt 3 dient ein Schichtsystem aus 80 nm Zinkoxid in Kombination mit einer 200 nm dicken Silberschicht. Hierbei befindet sich auf dem Siliziumschichtstapel auf der Seite der zweiten elektrischen Kontaktschicht zunächst die Zinkoxidschicht gefolgt von der Silberschicht.
In einem ersten Strukturierungsprozess Pl (Fig. 1 c)) wird durch Laserablation das Material aus der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 und den aktiven Halbleiterschichten 2 sowie aus der ersten elektrischen Kontaktschicht 1 entfernt, so dass die Oberfläche des Substrats 4 über die Länge der photovoltaischen Elemente in den Gräben freigelegt ist. Dieser Strukturierungsprozess Pl wird nacheinander für alle photovoltaischen Elemente durchgeführt. Der Laser wird zu diesem Zweck durch eine Relativbewegung über die Oberfläche des Substrats geführt.
Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 1, 2 und 3 wird ein Nd: YVO4 - Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE THG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 355 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien der Schichten 1 bis 3. Es wird eine Durchschnittsleistung von 390 mW bei einer Pulswiederholrate von 15 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 580 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt ca. 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von etwa 100 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladieren- den Schichten durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 53 μm ergibt.
Eine Vielzahl an Gräben zur Trennung der photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter liegen so auf dem Substrat 4 parallel angeordnet nebeneinander vor, siehe Fig. Ia und die senkrecht verlaufenden Linien im Modul rechts. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten photovoltaischen Elementen A, B oder B, C liegt jeweils ein Graben nach dem Strukturie- rungsprozesses Pl vor. Der Strukturierungsprozess Pl verläuft mittels computergestützter Steuerung. Die Gräben weisen nach dem Schritt Pl jeweils eine laterale Ausdehnung von etwa 53 Mikrometern auf. Der Strukturierungsprozess Pl wird dabei so oft wiederholt, wie photovoltai- sche Elemente erzeugt werden sollen, z. B. 8 bis 12.
Zur Bildung der Stufengräben 5 erfolgt ein zweiter Strukturierungsprozesses P2 entlang der gestrichelten Linie in Fig. 1 d). Dabei wird die zweite elektrische Kontaktschicht 3 und der darunter angeordnete Teil der aktiven Halbleiterschichten 2 bis zur Oberfläche der ersten e- lektrischen Kontaktschicht 1 abgetragen. Hierbei kann das Material bis zur Kante des ersten Strukturierungsgraben Pl abgetragen werden.
Als Laser wird ein Nd: YVO4 -Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 532 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien beider Schichten 2, 3. Es wird eine Durchschnittsleistung von 410 mW bei einer Pulswiederholrate von 11 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt ca. 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladierenden Schichten durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fo- kussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 70 μm ergibt. Um einen streifenförmigen Graben einer Breite von etwa 120 μm zu erzeugen, werden zur Trennung zweier photovoltaischer Elemente je zwei Ablationen mit einem geringen Überlapp zueinander durchgeführt.
Die photovoltaischen Elemente A3 B, C sind nach dem zweiten Strukturierungsprozess P2 bis zum Substrat 4 voneinander getrennt. Als Resultat liegen die streifenförmigen parallel angeordneten photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter elektrisch und räumlich voneinander isoliert durch die Stufengräben 5 auf dem Substrat 4 angeordnet vor. Eine Vielzahl an ersten Stufengräben 5 zur Trennung der photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter, werden so gebildet. Die Gesamtbreite der Stufengräben 5 beträgt etwa 180 μm.
In den ersten Stufengräben 5 liegen die Oberflächen der ersten elektrischen Kontaktschicht Ib und des Substrats 4 unmittelbar nebeneinander vor, so dass im Schnitt der Fig. 1 d) ein Absatz in Form der dargestellten Stufe gebildet ist. Da Strukturierungen Pl und P2 über die Länge der photovoltaischen Elemente verlaufen, unterteilt jeder Stufengraben 5 die streifenförmigen photovoltaischen Elemente A und B und so weiter (s. Fig. lb)-g)) voneinander entlang der gesamten Länge des Solarmoduls, siehe Fig. 1 a). Der dargestellte Stufengraben 5 ist einseitig, da hierin die Oberfläche Ib der ersten Kontaktschicht 1 nur auf einer Seite rechts oberhalb des Substrats 4 freigelegt wird. Der Strukturierungsprozess P2 wird entsprechend der Strukturierung Pl so oft wiederholt, bis die Schichten 1, 2, 3 für eine Vielzahl von streifenförmigen, parallel zueinander angeordneten photovoltaischen Elementen A, B, C und so weiter, getrennt durch die einzelnen Stufengräben 5, zueinander vorliegen.
Sodann erfolgt das Aufbringen des Isolators 6 aus Lack in die Stufengräben 5 beidseitig über die Flanken des Stufengrabens 5 hinaus. Das heißt, dass der Isolator seitlich über die Flanken der Stufengräben bis auf die Oberfläche 3 a, 3b der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 und somit auch auf dieser angeordnet wird. Hierbei wird die Farbe Dupli-Color Aerosol Art der Firma Motip Dupli GmbH mit dem Farbton RAL 9005 als Isolator 6 verwendet. Das Aufbringen des Isolators kann mittels Sprühtechnik durchgeführt werden. Die Isolatordicke beträgt etwa 8 μm. Der Isolator wird durch eine Metallmaske aufgebracht, welche die für die Anordnung des Isolators benötigte Geometrie aufweist. Hierbei besitzt die Metallmaske streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von etwa 4 mm. Die Öffnungen wiederholen sich in regelmäßigen Abständen entsprechend der Abstände der Stufengräben 5 auf dem Substrat zueinander. Die Länge der Öffnungen der Maske ist beidseitig etwa 5 mm größer als die Länge der Stufengräben 5. Durch die Verwendung der Maske wird eine streifenförmige Isolatorgeometrie entsprechend der Fig. 1 e) erreicht. Hierbei kann durch die Ausrichtung der Maske eine der beiden Seiten, hier die Seite mit Oberfläche 3a der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 in lateraler Ausdehnung weniger mit dem Isolatorstreifen 6, einem nicht leitfälligen Material, bedeckt sein, als die gegenüberliegende andere Seite mit Oberfläche 3b. Die Oberfläche 3 a links im Bild ist in einer lateralen Ausdehnung von etwa 1300 μm mit dem Isolator bedeckt. Die laterale Ausdehnung der Oberfläche 3b (rechts im Bild) mit Isolator beträgt hingegen etwa 2500 μm.
Das Auftragen des Isolators 6 und die Wahl der Maske erfolgt so, dass alle Stufengräben 5 verfüllt und die Oberflächen 3a und 3b der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 in dieser Weise streifenförmig innerhalb des Moduls mit dem Isolator 6 bedeckt sind (Fig. Ia, rechts im Bild).
Es wird ein Strukturierungsprozess P3 je Stufengraben durchgeführt. Dabei wird der Isolator 6 durch Bildung von Gräben 7 über die Länge der photovoltaischen Elemente in den Gräben 5 entfernt. Der Graben 7 wird so gebildet, dass er sich zwischen dem rechten äußeren Rand und dem linken Rand des Stufengrabens 5 befindet. Das heißt, dass die seitlichen Flanken der Stufengräben isoliert bleiben. Hierdurch wird im Folgenden ein elektrischer Kurzschluss vermieden. Zudem wird P3 so positioniert, dass die erste elektrische Kontaktschicht Ic innerhalb des Stufengrabens 5 freigelegt wird. Die Entfernung geschieht mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd: YVO4-Lasers der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG. Die Leistung des Lasers beträgt 860 mW bei einer Pulsfrequenz von 17 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt ca. 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von ca. 100 μm ergibt. Der Laser bildet innerhalb des vormaligen aufgefüllten ersten Stufengrabens 5 einen zweiten Stufengraben 7 (Fig. 1 f)). Hierdurch wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht Ic und die Oberfläche des Substrats 4 wiederum unmittelbar nebeneinander als Absatz bzw. Stufe freigelegt. Da dieser Strukturierungsprozess P3 wiederum über die Länge der photovoltaischen Elemente durchgeführt wird, liegt ein zum ersten Stufengraben 5 versetzt angeordneter zweiter Stufengraben 7 vor. Das heißt, dass der linke Steg 6a und der rechte Steg 6b des Isolatormaterials zur elektrischen Isolation der Zellen A, B und so weiter verbleibt. Die nach dem Strukturierungsprozess P3 verbleibenden senkrecht verlaufenden Randstege 6a und 6b des Isolators verhindern im Weiteren einen Kurzschluss der beiden photovoltaischen Elemente A und B.
Der Strukturierungsprozess P3 wird so oft wiederholt, wie die Strukturierungsprozesse Pl und P2 und bis die Schichten 1, 2, 3 als eine Vielzahl streifenförmiger, parallel zueinander angeordneter photovoltaischer Elemente, getrennt durch die Stufengräben 7 und getrennt durch die Randstege 6a und 6b des Isolators, vorliegen. Im abschließenden Schritt wird jeder zweite Stufengraben 7 mit Kontaktmaterial 8 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente verfüllt. Dabei wird die freigelegte Oberfläche Ic der ersten elektrischen Kontaktschicht des photovoltaischen Elements B im zweiten Stufengraben 7 nur mit der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 a des benachbarten photovoltaischen Elements A elektrisch kontaktiert (Fig. 1 g)) aber nicht mit seiner eigenen Oberfläche kurzgeschlossen.
Auf diese Weise ist der elektrische Kontakt zwischen der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3a des Elements A mit der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht Ic des Elements B und damit die Serienverschaltung der beiden photovoltaischen Elemente A und B abgeschlossen.
Als Kontaktmaterial wird beispielsweise Silber mit einer Dicke von etwa 200 nm gewählt. Die Verfüllung des zweiten Stufengrabens 7 erfolgt ebenfalls mittels Maskenverfahren. Hierbei wird eine Maske, ähnlich oder gleichartig der Maske zum Aufbringen des Isolators, verwendet. Das Silber wird durch einen thermischen Verdampfungsprozess durch die Maske strukturiert, und auf das Substrat aufgebracht. Hierbei wird der zweite Stufengraben 7 mit Kontaktmaterial 8 streifenförmig aufgefüllt, so dass nur die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 a eines photovoltaischen Elements A und nicht die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 3 b des benachbarten photovoltaischen Elements B mit der freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht Ic von Element B im Stufengraben 7 verbunden wird. Dies wird erreicht durch eine leicht versetzte Ausrichtung der Maske um etwa 2 mm im Vergleich zur Ausrichtung der Maske beim Aufbringen des Isolators.
Das Auffüllen des zweiten Stufengrabens 7 mit Kontaktmaterial 8 und die Wahl der Maske geschieht derart entlang aller Streifen (siehe Fig. Ia)), dass alle benachbarten photovoltaischen Elemente innerhalb des Moduls auf diese Weise miteinander serienverschaltet sind.
Zweites Ausführungsbeispiel
Als Basis des zweiten Ausführungsbeispiels dient eine Solarzelle, welche auf einem 10x10 cm2 großen Glassubstrat der Dicke 1,1 mm hergestellt wird. Die Dicke des mikrokristallinen p-i-n-Schichtstapels 22 als aktive Halbleiterschicht in Fig. 2 beträgt hierbei insgesamt etwa 1300 nm. Der mikrokristalline Schichtstapel ist hierbei auf einer ersten elektrischen Kontaktschicht 21 aus nasschemisch texturiertem Zinkoxid mit einer Dicke von etwa 800 Nanometer angeordnet.
Als zweite elektrische Kontaktschicht 23 dient ein Schichtsystem aus 80 nm Zinkoxid in Kombination mit einer 200 nm dicken Silberschicht. Hierbei befindet sich auf dem Siliziumschichtstapel 22 auf der Seite der zweiten elektrischen Kontaktschicht zunächst die Zinkoxidschicht gefolgt von der Silberschicht.
In einem ersten Strukturierungsprozess Pl (Fig. 2 c)) wird durch eine Laser-ablation, siehe Fig. 2 a) und Fig. 2 c), Material aus der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23 und den aktiven Halbleiterschichten 22 entfernt, so dass die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 21 in den Gräben über die Länge der photovoltaischen Elemente freigelegt ist. Dieser Strukturierungsprozess Pl wird nacheinander für alle photovoltaischen Elemente durchgeführt. Der Laser wird zu diesem Zweck durch eine Relativbewegung über die Oberfläche des Substrats geführt.
Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 22 und 23 wird ein Nd: YVO4 - Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 532 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien beider Schichten 22, 23. Es wird eine Durchschnittsleistung von 410 mW bei einer Pulswiederholrate von 11 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladieren- den Schichten durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 70 μm ergibt. Um einen Graben einer Breite von etwa 200 μm zu erzeugen werden zur Trennung zweier photovoltaischen Elemente je drei streifenförmige Ablationen mit einem geringen Überlapp zueinander durchgeführt. Eine Vielzahl an Gräben für die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter liegen so auf der ersten elektrischen Kontaktschicht 21 parallel angeordnet über die Länge der photovoltaischen Elemente nebeneinander vor, siehe Figur 2 c) und die senkrecht angeordneten Linien im Modul rechts der Fig. 2 a). Zwischen zwei unmittelbar benachbarten photovoltaischen Elementen A, B oder C, B und so weiter liegt jeweils ein Graben nach dem Strukturie- rungsprozesses Pl vor. Der Strukturierungsprozess Pl verläuft mittels computergestützter Steuerung.
Die Gräben weisen nach Pl jeweils eine laterale Ausdehnung von etwa 200 Mikrometern auf. Der Strukturierungsprozess Pl wird dabei so oft wiederholt, wie photovoltaische Elemente erzeugt werden sollen. Insgesamt können z. B. etwa 8 bis 12 Gräben gebildet werden.
Mittels eines zweiten Strukturierungsprozesses P2 entlang der gestrichelten Linie wird die erste elektrische Kontaktschicht 21 zur Bildung des Stufengrabens 25 bis zur Oberfläche der Substrats 24 abgetragen (Fig. 2 d)). Der Abstand zwischen dem Zentrum der Auftrennung der ersten elektrischen Kontaktschicht und dem äußersten linken Rand des Stufengrabens 25 beträgt hierbei etwa 60 μm.
Als Laser wird ein Nd:YVO4 -Laser der Firma Rofm, Typ RSY 2OE THG, mit einer Wellenlänge von 355 nm gewählt. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung des Materials der Schicht 21. Es wird eine Durchschnittsleistung von 300 mW bei einer Pulswiederholrate von 15 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 250 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 100 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 35 μm ergibt. Die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter sind nach dem zweiten Strukturierungsprozess P2 bis zum Substrat 24 voneinander getrennt. Als Resultat liegen die streifenförmigen parallel angeordneten photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter elektrisch voneinander isoliert durch die Gräben 25 auf dem Substrat 24 vor. Eine Vielzahl an ersten Stufengräben 25 zur Trennung der photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter werden so gebildet. In den ersten Stufengräben 25 liegen die Oberflächen der ersten elektrischen Kontaktschicht 21a, 21b und des Substrats 24 über die Länge der photovoltaischen Elemente unmittelbar nebeneinander vor, so dass ein Absatz in Form einer Stufe gebildet ist. Da es sich bei P2 um eine Strukturierung entlang der gesamten Oberfläche der Schichtstruktur handelt, unterteilt der zweiseitige Stufengraben 25 die beiden in der Figur dargestellten photovoltaischen Elemente A und B voneinander entlang der gesamten Längsachse des Solarmoduls, (s. Fig. 2 a), rechts.
Die hergestellten Stufengräben 25 sind zweiseitig, da in den Stufengräben 25 die Oberflächen 21a, 21b der ersten Kontaktschicht zweiseitig oberhalb des Substrats 24 freigelegt werden.
Der Strukturierungsprozess P2 wird entsprechend des Strukturierungsprozesses Pl so oft wiederholt, bis die Schichten 21, 22, 23 für eine Vielzahl von streifenförmigen, parallel zueinander angeordneten photovoltaischen Elementen A, B, C und so weiter, getrennt durch die einzelnen Stufengräben 25, zueinander vorliegen.
Sodann erfolgt das Aufbringen eines Isolators 26 aus Lack in den Stufengräben 25 beidseitig über den Rand jedes Stufengrabens 25 hinaus. Das heißt, dass der Isolator seitlich über die beiden Flanken der Stufengräben bis auf die Oberfläche 23a, 23b der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23 auf dieser angeordnet wird. Hierbei wird die Farbe Dupli-Color Aerosol Art der Firma Motip Dupli GmbH mit dem Frabton RAL 9005 als Isolator 26 verwendet. Das Aufbringen des Isolators kann mittels Sprühtechnik durchgeführt werden. Die Isolatordicke beträgt etwa 8 μm. Der Isolator wird durch eine Metallmaske aufgebracht, welche die für die Strukturierung des Isolators benötigte Geometrie aufweist. Hierbei besitzt die Metallmaske streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von etwa 4 mm. Die Öffnungen wiederholen sich in regelmäßigen Abständen entsprechend der Abstände der Stufengräben 25 auf dem Substrat zueinander. Die Länge der Öffnungen der Maske ist beidseitig etwa 5 mm größer als die Länge der Stufengräben 25. Durch die Verwendung der Maske kann eine Isolatorgeometrie entsprechend der Figur 2 e) hergestellt werden. Hierbei kann durch die Ausrichtung der Maske eine der beiden Seiten, hier die Seite mit der Oberfläche 23a der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23, in lateraler Ausdehnung weniger mit dem Isolatorstreifen 26, einem nicht leitfähigen Material, bedeckt sein, als die gegenüberliegende andere Seite mit Oberfläche 23b. Die Oberfläche 23 a links im Bild ist in einer lateralen Ausdehnung von 1300 μm mit dem Isolator bedeckt. Die laterale Ausdehnung auf der Oberfläche 23b (rechts im Bild) mit Isolator als Überlapp beträgt hingegen etwa 2500 μm je Stufengraben.
Das Auftragen des Isolators und die Wahl der Maske geschieht so, dass alle Stufengräben 25 und die Oberflächen 23 a und 23b der zweiten elektrischen Kontaktschicht in dieser Weise streifenförmig innerhalb des Moduls mit dem Isolator 26 bedeckt sind (siehe Fig. 2 a), rechts im Bild).
Es erfolgt ein weiterer Strukturierungsprozess P3 je Stufengraben. Dabei wird der Isolator 26 als Streifen selektiv über die Länge der photovoltaischen Elemente in den Gräben 25 entfernt. Durch die Strukturierung P3 wird der Graben 27 gebildet und jeweils so positioniert, dass er sich zwischen dem rechten und linken äußeren Rand des Stufengrabens 25 befindet. Die seitlichen Flanken des Stufengrabens 27 sind mit Isolator 26a und 26b bedeckt. Hierdurch wird im Folgenden ein elektrischer Kurzschluss vermieden. Die Entfernung erfolgt mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd: YVO4-Lasers der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG. Die Leistung des Lasers beträgt hier 860 mW bei einer Pulsfrequenz von 17 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 100 μm ergibt. Der Laser bildet innerhalb des vormalig aufgefüllten ersten Stufengrabens 25 einen zweiten Stufengraben 27 (Fig. 2f)). Hierdurch wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 21c und die Oberfläche des Substrates 24 wiederum unmittelbar nebeneinander als Absatz bzw. Stufe freigelegt. Da dieser Strukturierungsprozess P3 wiederum über die Länge der photovoltaischen Elemente durchgeführt wird, liegt ein zum ersten Stufengraben 25 versetzt angeordneter zweiter Stufengraben 27 vor. Das heißt, dass der linke Steg 26a des Isolatormaterials zur elektrischen Isolation der Zellen A, B verbleibt. Die nach der Strukturierung P3 verbleibenden senkrecht verlaufenden Randstege 26a und 26b des Isolators verhindern im Weiteren einen Kurzschluss der beiden photovoltaischen Elemente A und B. Die Strukturierung P3 wird so oft wiederholt, wie die Strukturierungen Pl und P2 und bis die Schichten 21, 22, 23 in eine Vielzahl streifenförmiger, parallel zueinander angeordneter pho- tovoltaischer Elemente, getrennt durch die Stufengräben 27 und getrennt durch die Randstege 26a und 26b des Isolators, vorliegen.
Im abschließenden Schritt wird jeder Stufengraben 27 mit Kontaktmaterial 28 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente verfüllt. Diese Verfüllung erfolgt so, dass die freigelegte Oberfläche 21c der ersten elektrischen Kontaktschicht des photovoltaischen Elementes B im zweiten Stufengraben 27 lediglich mit der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23 a des benachbarten photovoltaischen Elements A elektrisch kontaktiert wird (Fig. 2 g)). Auf diese Weise ist der elektrische Kontakt zwischen der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23 a mit der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 21c und damit die Serienverschaltung der beiden photovoltaischen Elemente A und B abgeschlossen.
Bei dem Kontaktmaterial wird beispielsweise als Material Silber mit einer Dicke von etwa 200 nm verwendet. Die Verfüllung des zweiten Stufengrabens 27 erfolgt ebenfalls mittels Maskenverfahren. Hierbei wird eine Maske gleichartig der Maske zum Aufbringen des Isolators verwendet. Das Silber wird durch einen thermischen Verdampfungsprozess durch die Maske strukturiert auf das Substrat aufgebracht. Hierbei wird der zweite Stufengraben 27 mit Kontaktmaterial 28 derart aufgefüllt oder bedeckt, dass nur die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23 a des photovoltaischen Elements A und nicht die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 23b des photovoltaischen Elements B mit der freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 21b im Stufengraben 27 verbunden wird. Dies wird erreicht durch eine leicht versetzte Ausrichtung der Maske um etwa 2 mm im Vergleich zur Ausrichtung der Maske beim Aufbringen des Isolators.
Das Auffüllen des Stufengrabens 27 mit Kontaktmaterial 28 und die Wahl der Maske geschieht derart entlang aller Streifen über die Länge der photovoltaischen Elemente (siehe Fig. 2 a)), dass alle photovoltaischen Elemente innerhalb des Moduls auf diese Weise miteinander serienverschaltet sind. Drittes Ausfuhrungsbeispiel
Als Basis des Ausfuhrungsbeispiels dient eine mikrokristalline Solarzelle, welche auf einem 10x10 cm2 großen Glassubstrat der Dicke 1,1 mm hergestellt wird. Die Dicke des mikrokristllinen p-i-n-Schichtstapels 32 (aktive Halbleiterschicht, Fig. 3) beträgt hierbei insgesamt etwa 1300 Nanometer. Der mikrokristalline Schichtstapel befindet sich hierbei auf einer ersten elektrischen Kontaktschicht 31 aus nasschemisch texturiertem Zinkoxid mit einer Dicke von etwa 800 nm. Als zweite elektrische Kontaktschicht 33 dient ein Schichtsystem aus 80 nm Zinkoxid in Kombination mit einer 200 nm dicken Silberschicht. Hierbei befindet sich auf dem Siliziumschichtstapel auf der Seite der zweiten elektrischen Kontaktschicht zunächst die Zinkoxidschicht gefolgt von der Silberschicht.
In einem ersten Strukturierungsprozess Pl (Fig. 3c, 3d)) wird durch eine einzige Laserablati- on Material aus der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33 und gleichzeitig den aktiven Halbleiterschichten 32 und der ersten Kontaktschicht 31 entfernt, so dass die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 31 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente freigelegt ist. Dieser Strukturierungsprozess Pl wird nacheinander für alle photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter durchgeführt. Zu diesem Zweck werden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge und Fokusgeometrie gleichzeitig durch eine Relativbewegung über die Oberfläche des Substrats geführt. Abstand und Leistung sind so eingestellt, dass gleichzeitig Material der Schichten 33 und 32 und 31 bzw. 33 und 32 entfernt werden.
Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 32 und 33 wird ein Nd: YV O4 - Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 532 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien beider Schichten 32, 33. Es wird eine Durchschnittsleistung von 1200 mW bei einer Pulswiederholrate von 4 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladierende Schicht durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige AbIa- tion mit einem Durchmesser von etwa 200 μm ergibt. Der Durchmesser der kreisförmigen Ablation wurde mit Hilfe einer Aufweitungsoptik angebracht und vor der Fokussierung des Laserstrahls eingestellt. Als Laser zur Abtragung des Materials 31 wird ein Nd: YVO4 -Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE THG, mit einer Wellenlänge von 355 nm gewählt. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung des Materials der Schicht 31. Es wird eine Durchschnittsleistung von 550 mW bei einer Pulswiederholrate von 20 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt prinzipbedingt ebenfalls 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe der Fokussiereinheit auf die Schichtseite des Substrates fokussiert, welche auch zur Fokussierung der Laserstrahlung der Wellenlänge 532 nm verwendet wird. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abla- dierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 55 μm ergibt.
Eine Vielzahl streifenförmiger Stufengräben 35 für die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter liegen so auf der ersten elektrischen Kontaktschicht 31 parallel angeordnet nebeneinander vor (s. Fig. 3 a) und die senkrechten Linien im Modul rechts). Zwischen zwei unmittelbar benachbarten photovoltaischen Elementen A, B oder C, B und so weiter liegt jeweils ein Graben nach dem Strukturierungsprozesses Pl vor. Der Strukturierungsprozess Pl verläuft mittels computergestützter Steuerung. Der Strukturierungsprozess Pl wird dabei so oft wiederholt, wie photovoltaische Elemente erzeugt werden sollen.
Eine zeitlich danach erfolgende zweite Strukturierung P2, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, entfällt vorteilhaft. Entlang der gestrichelten Linie ist bei Pl die erste elektrische Kontaktschicht 31 zur Bildung des Stufengrabens 35 in einem Schritt bis zur Oberfläche der Substrats 34 und der ersten elektrischen Kontaktschicht abgetragen (Fig. 3 c) und 3 d)).
In den ersten Stufengräben 35 liegen die Oberflächen der ersten elektrischen Kontaktschicht 3 Ia, 3 Ib und des Substrats 34 unmittelbar nebeneinander über die Länge der photovoltaischen Elemente vor, so dass jeweils ein Absatz in Form einer Stufe gebildet ist. Da es sich bei dieser Strukturierung wiederum um eine Strukturierung über die Länge der photovoltaischen Elemente handelt, unterteilt jeder zweiseitige Stufengraben 35 die benachbarten streifenförmigen photovoltaischen Elemente A und B (s. Fig. 3 b) bis 3 g)) voneinander entlang der gesamten Längsachse des Solarmoduls. Dasselbe gilt für die übrigen photovoltaischen Elemente C und so weiter.
Die Stufengräben 35 sind zweiseitig, da in den Stufengräben 35 die Oberflächen 31a, 31b der ersten Kontaktschicht zweiseitig, das heißt auf beiden Seiten oberhalb des Substrats 34 freigelegt werden.
Die Strukturierung Pl wird so oft wiederholt, bis die Schichten 31, 32, 33 für eine Vielzahl von streifenförmigen, parallel zueinander angeordneten photovoltaischen Elementen A, B, C und so weiter, getrennt durch die einzelnen Stufengräben 35, zueinander vorliegen.
Sodann wird der Isolator 36 aus Lack in den Stufengräben 35 beidseitig über den Rand des Stufengrabens 35 hinaus angeordnet. Das heißt, dass der Isolator seitlich über deren Flanken bis auf die Oberflächen 33a, 33b der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33 auf dieser angeordnet wird. Hierbei wird die Farbe Dupli-Color Aerosol Art der Firma Motip Dupli GmbH mit dem Frabton RAL 9005 als Isolator 36 verwendet. Der Isolator kann mittels Sprühtechnik angeordnet werden. Die resultierende Isolatordicke beträgt etwa 8 μm. Der Isolator wird durch eine Metallmaske aufgebracht, welche die benötigte Geometrie aufweist. Die Metallmaske weist streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von etwa 4 Millimeter auf. Die Öffnungen wiederholen sich in regelmäßigen Abständen entsprechend der Abstände der Stufengräben 35 auf dem Substrat zueinander. Die Länge der Öffnungen der Maske ist beidseitig etwa 5 mm größer als die Länge der Stufengräben 35. Durch die Verwendung der Maske kann eine Isolatorgeometrie entsprechend der Figur 3 e) über die Länge der photovoltaischen Elemente erreicht werden. Hierbei kann durch die Ausrichtung der Maske eine der beiden Seiten, hier die Seite mit Oberfläche 33a der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33 in lateraler Ausdehnung weniger mit dem Isolatorstreifen 36, einem nicht leitfähigen Material, bedeckt sein, als die gegenüberliegende andere Seite mit Oberfläche 33b. Die Oberfläche 33a links im Bild ist in einer lateralen Ausdehnung von 1300 μm mit dem Isolator bedeckt. Die laterale Ausdehnung der Oberfläche 33b (rechts im Bild) mit Isolator beträgt hingegen etwa 2500 μm. Alle parallelen Stufengräben 35 und die Oberflächen 33a und 33b der zweiten elektrischen Kontaktschicht werden streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente innerhalb des Moduls mit dem Isolator 36 bedeckt (Fig. 1 a), rechts im Bild).
Es erfolgt die Strukturierung P2 je Stufengraben. Dabei wird der Isolator 36 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente selektiv in den vormaligen Gräben 35 entfernt. Der neue Graben 37 wird durch P2 so positioniert, dass er sich zwischen dem rechten und dem linken äußeren Rand des ersten Stufengrabens 35 befindet. Die seitlichen Flanken der Stufengräben sind durch Isolator 36a, 36b isoliert. Hierdurch wird im Folgenden ein elektrischer Kurzschluss vermieden. Durch P2 wird die erste elektrische Kontaktschicht 31c innerhalb des Stufengrabens freigelegt. Die Entfernung geschieht mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd: YVO4-Lasers der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG. Die Leistung des Lasers beträgt hier 860 mW bei einer Pulsfrequenz von 17 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige AbIa- tion mit einem Durchmesser von etwa 100 μm ergibt. Der Laser bildet innerhalb des vormaligen nun aufgefüllten ersten Stufengrabens 35 einen zweiten Stufengraben 37 (Fig. 3f)). Hierdurch wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 31c und die Oberfläche des Substrates 34 wiederum über die Länge der photovoltaischen Elemente unmittelbar nebeneinander als Absatz bzw. Stufe freigelegt. Da P2 wiederum über die gesamte Länge der photovoltaischen Elemente durchgeführt wird, liegt jeweils ein zum ersten Stufengraben 35 versetzt angeordneter zweiter Stufengraben 37 vor. Die nach P2 verbleibenden senkrecht verlaufenden Randstege 36a und 36b des Isolators verhindern im Weiteren einen Kurzschluss in den beiden photovoltaischen Elemente A und B.
P2 wird so oft wiederholt wie Pl. Die Schichten 31, 32, 33 werden dabei in eine Vielzahl streifenförmiger, parallel zueinander angeordneter photovoltaischer Elemente, unterteilt. Diese sind getrennt durch die Stufengräben 37 und getrennt durch die Isolatorstege 36a und 36b. Im abschließenden Schritt werden die zweiten Stufengräben 37 mit Kontaktmaterial 38 ebenfalls streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente verfüllt. Die freigelegte Oberfläche 31c der ersten elektrischen Kontaktschicht des photovoltaischen Elementes B wird dabei nur mit der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33a des benachbarten photovoltaischen Elements A elektrisch kontaktiert (Fig. 3 g)). Es erfolgt keine Kontaktierung der Oberfläche 31c mit 33b.
Auf diese Weise ist der elektrische Kontakt zwischen der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33a eines photovoltaischen Elements A mit der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 31c eines benachbarten photovoltaischen Elements B und damit die Serienverschaltung der beiden photovoltaischen Elemente A und B abgeschlossen.
Als Kontaktmaterial wird beispielsweise Silber mit 200 nm dick angeordnet. Die Verfüllung des zweiten Stufengrabens 37 erfolgt ebenfalls mittels Maskenverfahren. Hierbei wird eine Maske gleichartig der Maske zum Aufbringen des Isolators verwendet. Das Silber wird durch einen thermischen Verdampfungsprozess durch die Maske aufgebracht. Dabei werden die zweiten Stufengräben 37 mit Kontaktmaterial 38 so aufgefüllt, dass nur die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33a eines photovoltaischen Elements A und nicht die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 33b des photovoltaischen Elements B mit der freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 31c im Stufengraben 37 verbunden wird. Dies wird erreicht durch eine leicht versetzte Ausrichtung der Maske um etwa 2 mm im Vergleich zur Ausrichtung der Maske beim Aufbringen des Isolators.
Das Auffüllen des zweiten Stufengrabens 37 mit Kontaktmaterial 38 und die Wahl der Maske geschieht derart entlang aller Streifen (siehe Fig. 3 a)), dass alle photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter innerhalb des Moduls auf diese Weise miteinander serienverschaltet werden.
Besonders vorteilhaft wird eine Strukturierung im Vergleich zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel eingespart. Viertes Ausfuhrungsbeispiel
Als Basis des Ausfuhrungsbeispiels dient eine mikrokristalline Solarzelle, welche auf einem 10x10 cm2 großen Glassubstrat der Dicke 1,1 mm hergestellt wird. Die Dicke des mikrokristallinen p-i-n-Schichtstapels als aktive Halbleiterschicht 42, Fig. 4) beträgt hierbei insgesamt etwa 1300 Nanometer. Der mikrokristalline Schichtstapel ist auf einer ersten elektrischen Kontaktschicht 41 aus nasschemisch texturiertem Zinkoxid mit einer Dicke von ca. 800 Nanometer angeordnet. Als zweite elektrische Kontaktschicht 43 ist ein Schichtsystem aus 80 nm Zinkoxid in Kombination mit einer 200 nm dicken Silberschicht vorgesehen. Hierbei befindet sich auf dem Siliziumschichtstapel auf der Seite der zweiten elektrischen Kontaktschicht zunächst die Zinkoxidschicht gefolgt von der Silberschicht.
Durch die Strukturierung Pl (Fig. 4 c)) wird mittels Laserablation Material aus der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 und den aktiven Halbleiterschichten 42, so wie aus der ersten elektrischen Kontaktschicht 41, über die Länge der photovoltaischen Elemente streifenförmig entfernt, so dass die Oberfläche des Substrats 44 streifenförmig in den Gräben 45a freigelegt ist. Pl wird nacheinander für alle photovoltaischen Elemente durchgeführt. Der Laser wird zu diesem Zweck durch eine Relativbewegung über die Oberfläche des Substrats geführt.
Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 41, 42 und 43 wird ein Nd: YVO4 - Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE THG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 355 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien der Schichten 41 bis 43. Es wird eine Durchschnittsleistung von 390 mW bei einer Pulswiederholrate von 15 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 580 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 100 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladierende Schicht durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige AbIa- tion mit einem Durchmesser von etwa 53 μm ergibt. Die Gäben 45a verlaufen über die Länge der photovoltaischen Elemente. Eine Vielzahl von z. B. 8 bis 12 an Gräben zur Unterteilung der photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter liegen so auf dem Substrat 44 parallel angeordnet nebeneinander vor (s. Fig. 4a: senkrechte, gestrichelte Linien im Modul rechts in Aufsicht). Zwischen zwei unmittelbar benachbarten photovoltaischen Elementen A, B oder C, B liegt jeweils ein Graben 45a über die Länge der photovoltaischen Elemente nach Pl vor. Pl verläuft mittels computergestützter Steuerung. Die Gräben 45a weisen jeweils eine laterale Ausdehnung von etwa 53 Mikrometern auf. Pl wird so oft wiederholt, wie photovoltaische Elemente erzeugt werden sollen.
Im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsbeispielen ist im vierten Ausführungsbeispiel kein streifenförmiges Abtragen der aktiven Halbleiterschichten 42 und der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 über die Länge der photovoltaischen Elemente zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 41 mehr vorgesehen. Vielmehr werden durch die zweite Strukturierung P2 die Schichten 42 und 43 lediglich in Bereichen, das heißt z. B. punktförmig nur an der rechten Seite entlang des Grabens 45a bis zur Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 41 abgetragen (s. Fig. 4 d)). Die punktförmigen Ausnehmungen 45b haben in Längsrichtung jedes streifenförmigen Grabens 45a einen Abstand von etwa 1 bis 5 Millimeter zueinander. Andere Abstände und Größen können aber gewählt werden. Lediglich aufgrund der Querschnittansicht sind demnach die hinter der Blattebene liegenden Schichten 42, 43 im Bereich 45b der Fig. 4 d) im fettumrandeten Bereich erkennbar. Die Aufsicht der Fig. 4 d) ist in der Fig. 4 h) für eine einzige punktförmige Ausnehmung 45b wieder gegeben. Dabei wird in diesem Bereich die Oberfläche 41b der ersten elektrischen Kontaktschicht freigelegt.
Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 42 und 43 wird ein Nd: YVO4 - Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 532 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien beider Schichten 42, 43. Es wird eine Durchschnittsleistung von 48 mW bei einer Pulswiederholrate von 0,16 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her auf die zu abladierende Schicht durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich pro Puls eine kreisförmige Ablation 45b mit einem Durchmesser von etwa 200 μm ergibt. Der Durchmesser der kreisförmigen Ablation wurde mit Hilfe einer Aufweitungsoptik angebracht und vor der Fokussie- rung des Laserstrahls eingestellt.
Die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter sind nach Pl und P2 bis zum Substrat 44 voneinander getrennt. Als Resultat liegen die streifenförmigen parallel angeordneten photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter elektrisch voneinander isoliert durch die Stufengräben 45a, 45b auf dem Substrat 44 vor. Eine Vielzahl (etwa 8 bis 12) an parallelen ersten Gräben 45 a über die Länge der photovoltaischen Elemente mit einer Reihe an punktförmigen Ausnehmungen 45b entlang jedes Grabens 45a werden gebildet (Fig. 4 d), Fig. 4 h)).
In den Ausnehmungen 45b liegt die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 41b und des Substrats 44 unmittelbar nebeneinander vor (Fig. 4 d) und 4 h)), so dass ein Absatz in Form eines lokalen Stufengrabens 45a, 45b gebildet ist. Da es sich bei dieser Strukturierung P2 um eine punktförmige Strukturierung entlang einer Seite des Grabens 45a handelt, bleiben die halbleitenden Schichten 42 und die zweite elektrische Kontaktschicht 43 von Element B über einen großen Bereich des Moduls zur Energieerzeugung erhalten.
Die punktförmigen Ausnehmungen 45b an den Gräben sind einseitig, da dort nur die Oberfläche 41b der ersten Kontaktschicht einseitig oberhalb der freigelegten Substratoberfläche freigelegt wird. Die Ausnehmungen 45b haben einen Durchmesser von etwa 200 μm. Je nach Abstand können bis zu etwa 100 Ausnehmungen je Graben gebildet werden. P2 wird also entlang des Grabens 45a oftmals wiederholt, so dass durch punktförmige Ausnehmungen 45b die erste elektrische Kontaktschicht 41b einseitig im photovoltaischen Element B freigelegt ist. Auf diese Weise sind im Bereich der ersten Ausnehmungen 45b im Graben lokale Stufengräben 45a, 45b angeordnet.
Sodann wird Isolators 46 aus Lack in den genannten Bereich der punktförmigen Ausnehmungen 45b beidseitig über den Rand jedes Grabens 45a und über die Ausnehmung 45b hinaus angeordnet. Der Isolator wird seitlich über deren Flanken bis auf die Oberfläche 43a, 43b der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 auf dieser angeordnet (Fig. 4 e): Querschnitt; Fig. 4 i): Aufsicht). Die Farbe Dupli-Color Aerosol Art der Firma Motip Dupli GmbH mit dem Farbton RAL 9005 wird als Isolator 46 verwendet und kann 8μm dick aufgesprüht werden. Der Isolator kann durch eine Metallmaske mit einer entsprechenden Geometrie aufgesprüht werden. Die Metallmaske weist punktförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Millimeter auf. Die Öffnungen wiederholen sich in regelmäßigen Abständen entsprechend der Abstände der punktförmigen Ausnehmungen 45b auf dem Substrat zueinander. Durch die Verwendung der Maske kann eine Isolatorgeometrie entsprechend Fig. 4 e) und Fig. 4 i) erreicht werden. Hierbei kann durch die Ausrichtung der Maske eine der beiden Seiten, vorliegend die Seite mit der Oberfläche 43 a der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 in lateraler Ausdehnung lateral weniger durch den Isolatorpunkt 46 aus einem nicht leitfähigen Material, bedeckt sein, als die gegenüberliegende Seite mit Oberfläche 43b. Die Oberfläche 43 a (links im Bild) ist in einer lateralen Ausdehnung von etwa 500 μm mit dem Isolator bedeckt. Die laterale Ausdehnung der Oberfläche 43b (rechts im Bild) mit Isolator beträgt hingegen etwa 800 μm. Eine Aufsicht zur Fig. 4 e) gibt die Fig. 4 i) für eine Ausnehmung an.
Das Auftragen des Isolators 46 und die Wahl der Maske geschieht so, dass entlang aller Gräben 45a alle Ausnehmungen 45b sowie die Oberflächenbereiche 43a und 43b der zweiten elektrischen Kontaktschicht in dieser Weise punktförmig mit dem Isolator 46 bedeckt sind. Im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsbeispielen ist im vierten Ausfuhrungsbeispiel auch kein streifenförmiges Aufbringen des Isolators vorgesehen. Vielmehr wird der Isolator 46 entsprechend der Ausnehmungen punktförmig zur Verfüllung der Ausnehmungen 45b sowie auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 a, 43 b angeordnet. Eine bessere Energieeffizienz des Moduls ist durch Vergrößerung seiner Fläche gegeben.
Durch die Strukturierung P3 wird der Isolator 46 lokal und punktförmig entfernt. Hierbei wird eine kleinere punktförmige Ausnehmung 47 in der vormaligen Ausnehmung 45a, 45b gebildet. P3 ist im Bereich von P2 angeordnet. Durch P3 wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht freigelegt und vorliegend auch das Substrat siehe Fig. 4 f). P3 darf nicht die zweite elektrische Kontaktschicht bzw. den Halbleiter freilegen. Jede Ausnehmung 47 ist von dem Isolator 46a, 46b umrandet, so dass im Folgenden ein elektrischer Kurzschluss vermieden wird. Die Oberfläche 41c der ersten elektrischen Kontaktschicht eines Elements B wird freigelegt.
P3 wird mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd: YVO4-Lasers der Firma Rofin, Typ RSY 20E SHG durchgeführt. Die Leistung des Lasers beträgt hier 8,1 mW bei einer Puls- frequenz von 0,16 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 100 μm und damit kleiner als P2 ergibt. Der Laser bildet innerhalb der vormaligen nun aufgefüllten ersten Gräben 45 a und der Ausnehmungen 45b einen punktförmigen lokalen Stufengraben 47 (Fig. 4 f)). Hierdurch wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 41c und die Oberfläche des Substrats 44 wiederum unmittelbar nebeneinander als Absatz, bzw. Stufe, freigelegt (s. Fig. 4 f)). Lediglich auf Grund der Querschnittansicht ist der Isolator hinter der Blattebene im fettumrandeten Bereich der Fig. 4 f) erkennbar. Die nach Strukturierung P3 verbleibenden, senkrecht verlaufenden Randbereiche 46a und 46b des Isolators in Fig. 4 f) sind tatsächlich selbstverständlich kreisförmig geschlossen und verhindern im Weiteren den Kurzschluss der photovoltaischen Elemente A und B. Der Zusammenhang ist in Fig. 4 j) als Aufsicht von Fig. 4 f) verdeutlicht.
P3 wird so oft wiederholt, wie punktförmige Ausnehmungen 45b gebildet wurden. Dabei werden die Schichten 41, 42 und 43 in eine Vielzahl streifenförmiger, parallel zueinander angeordneter photovoltaischer Elemente, getrennt durch die streifenförmigen Gräben 45 a und getrennt durch die punktförmigen Ausnehmungen 45b, unterteilt. Es liegen im Sinne der Erfindung auch in Ausfülirungsbeispiel 4 lokal Stufengräben in den Ausnehmungen vor.
Im abschließenden Schritt werden die zweiten punktförmigen Ausnehmungen 47 mit Kontaktmaterial 48 wiederum lokal verfüllt, so dass ein Kontakt von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements A zur ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten Elements B hergestellt wird. Dabei wird die freigelegte Oberfläche 41c der ersten elektrischen Kontaktschicht von Element B in der zweiten Ausnehmung 47 nur mit der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 a des photovoltaischen Elements A elektrisch kontaktiert (Fig. 4 g)). Vorteilhaft wird dadurch weniger Kontaktmaterial zur Verfüllung des Stufengrabens benötigt und die Fläche zur Energieumwandlung ist erhöht gegenüber den ersten Ausführungsbeispielen 1 bis 3. Auf diese Weise ist der elektrische Kontakt zwischen der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43 a mit der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 41b und damit die Serienverschaltung benachbarter photovoltaischer Elemente A und B und so weiter an allen Ausnehmungen 47 abgeschlossen. Abstand und Größe der Ausnehmungen 47 je Graben sind so dimensioniert, dass ein Ableiten der erzeugten Energie ermöglicht wird.
Es kann Silber mit einer Dicke von etwa 200 nm als Kontaktmaterial verwendet werden. Die Verfullung der Ausnehmungen 47 erfolgt ebenfalls mittels Maskenverfahren. Hierbei wird eine Maske, ähnlich der Maske zum Aufbringen des Isolators, verwendet. Diese Maske besitzt Öffnungen an derselben Stelle wie die Maske, die zur Aufbringung des Isolators verwendet wurde, jedoch besitzen die Öffnungen eine andere Geometrie. Es handelt sich um streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von etwa 0,5 mm und einer Länge von etwa 2 Millimeter, siehe Figur 4 a, (links im Bild) und Fig. 4 k). Die kürzere Seite ist parallel zum Graben 45a angeordnet. Das Silber wird durch einen thermischen Verdampfungsprozess durch die Maske auf das Substrat aufgebracht. Hierbei werden die Ausnehmungen 47 mit Kontaktmaterial 48 so aufgefüllt, dass nur die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43a des Elements A und nicht die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 43b des photovol- taischen Elements B mit der freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 41c in den Löchern 47 kontaktiert wird. Dies wird erreicht durch eine leicht versetzte Ausrichtung der Maske um etwa 0,5 mm im Vergleich zur Ausrichtung der Maske beim Aufbringen des Isolators sowie durch die veränderte Geometrie der Öffnungen der Maske. Die Fig. 4 k) als Aufsicht zur Fig. 4 g) verdeutlicht den Zusammenhang für eine einzige Ausnehmung 47 an einem Graben 45a.
Das Auffüllen der zweiten punktförmigen Ausnehmungen 47 mit Kontaktmaterial 48 wird entlang aller Punkte (siehe Fig. 4a)) so oft wiederholt, bis alle photovoltaischen Elemente innerhalb des Moduls auf diese Weise miteinander serienverschaltet sind. Fünftes Ausfuhrungsbeispiel
Als Basis des Ausfuhrungsbeispiels dient eine Solarzelle, welche auf einem 10x10 cm2 großen Glassubstrat der Dicke 1,1 mm hergestellt wird. Die Dicke des mikrokristallinen p-i-n- Schichtstapels 52 (aktive Halbleiterschicht, Fig. 5) beträgt hierbei insgesamt ca. 1300 Nano- meter. Der mikrokristalline Schichtstapel ist auf einer ersten elektrischen Kontaktschicht 51 aus nasschemisch texturiertem Zinkoxid mit einer Dicke von etwa 800 Nanometer angeordnet. Als zweite elektrische Kontaktschicht 53 dient ein Schichtsystem aus etwa 80 Nanometer Zinkoxid in Kombination mit einer 200 nm dicken Silberschicht. Auf dem Siliziumschichtstapel auf der Seite der zweiten elektrischen Kontaktschicht ist zunächst die Zinkoxidschicht, gefolgt von der Silberschicht, angeordnet.
Mit der ersten Strukturierung Pl (Fig. 5 c)) wird durch Laserablation Material aus der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53 und den aktiven Halbleiterschichten 52, so wie aus der ersten elektrischen Kontaktschicht 51, entfernt, so dass die Oberfläche des Substrats 54 in den Gräben 55a über die Länge der photovoltaischen Elemente freigelegt ist. Pl wird nacheinander für alle zu bildenden photovoltaischen Elemente A, B, C, und so weiter durchgeführt. Der Laser wird zu diesem Zweck durch eine Relativbewegung über die Oberfläche des Substrats geführt. Abstand und Leistung sind so eingestellt, dass Material der Schichten 51, 52 und 53 entfernt werden. Als Laser wird ein Nd: YVO4 -Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE THG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 355 nm. Diese Wellenlänge ist spezifisch zur Abtragung der Materialien der Schichten 51 bis 53. Es wird eine Durchschnittsleistung von 390 mW bei einer Pulswiederholrate von 15 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt etwa 580 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 100 mm auf die Schichtseite des Substrats fokussiert. Der Strahl wird von der Substratseite her auf die zu abladierenden Schichten durch das transparente Substrat geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 53 μm ergibt.
Eine Vielzahl von z. B. etwa 8 bis 12 Gräben 55a für die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter liegen so auf dem Substrat 54 parallel angeordnet nebeneinander vor, siehe Figur 5 a), senkrechte Linien im Modul rechts (Aufsicht). Zwischen zwei unmittelbar benach- harten photovoltaischen Elementen A, B oder B, C und so weiter liegt jeweils ein Graben 55a nach Pl vor. Pl verläuft mit computergestützter Steuerung. Die Strukturierung Pl wird so oft wiederholt, wie photovoltaische Elemente A, B, C und so weiter erzeugt werden sollen.
Mittels einer zweiten Strukturierung P2 werden die Schichten 52 und 53 in bestimmten Bereichen über die Länge der photovoltaischen Elemente abgetragen. Vorliegend sind diese punktförmig und einseitig jedes Grabens 55a entlang der gestrichelten Linie P4 bis zur Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet (Fig. 5 d)). Lediglich durch die Querschnittansicht bedingt ist in der Fig. 5 d) das Material der Schicht 52 und der Schicht 53 hinter der Blattebene im Bereich der punktförmigen Ausnehmung 55b erkennbar. Die punktförmigen Ausnehmungen 55b haben in Richtung des streifenförmigen Grabens 55a, das heißt über die Länge eines photovoltaischen Elements, einen Abstand von etwa 1 bis 5 Millimeter zueinander. Andere Abstände und Größen können aber gewählt werden. Als Laser zur Abtragung des Materials aus den Schichten 52 und 53 im Bereich 55b wird einNd:YVO4 -Laser der Firma Rofin, Typ RSY 2OE SHG verwendet. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 532 Nano- meter und ist spezifisch zur Abtragung der Schichten 52, 53. Es wird eine Durchschnittsleistung von 48 mW bei einer Pulswiederholrate von 0,16 kHz gewählt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt etwa 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Der Strahl wird von der Substratseite her auf die zu abladierenden Schichten durch das transparente Substrat hindurch geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt etwa eine gaußförmige Intensitätsverteilung. Je Puls ergibt sich eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 200 μm. Der Durchmesser der kreisförmigen Ablation wurde mit Hilfe einer Aufweitungsoptik angebracht und vor der Fokussierung des Laserstrahls eingestellt.
Die photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter sind nach den zwei Strukturierungen Pl, P2 bis zum Substrat 54 voneinander getrennt. Als Resultat liegen die streifenförmigen parallel angeordneten photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter elektrisch und räumlich voneinander isoliert durch die Gräben 55a über die Länge der photovoltaischen Elemente auf dem Substrat 54 vor. Eine Vielzahl an ersten Gräben 55a mit jeweils punktförmigen Ausnehmungen 55b an einer Seite werden zur Trennung der photovoltaischen Elemente A, B, C und so weiter gebildet. In den ersten punktförmigen Ausnehmungen 55b in den Gräben liegt die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 51b und des Substrats 54 unmittelbar nebeneinander vor, so dass ein Absatz in Form eines erfindungsgemäß lokalen Stufengrabens 55a, 55b gebildet ist. Da es sich bei dieser Strukturierung P2 um eine Vielzahl lediglich punktförmiger Strukturierungen entlang der Länge der Gräben 55a der Schichtstruktur handelt, bleiben die halbleitenden Schichten 52 und die zweite elektrische Kontaktschicht 53 über einen großen Bereich entlang der streifenförmigen Gräben 55a erhalten. Vorteilhaft wird dadurch die zur Erzeugung von Energie verfügbare Fläche erhöht.
Die punktförmigen Ausnehmungen 55b in den Gräben sind einseitig angeordnet, da in den punktförmigen Ausnehmungen 55b nur die Oberfläche 51b der ersten Kontaktschicht, rechter Hand des Grabens 55a, also des Elements B, freigelegt wird. P2 wird so oft wiederholt, bis die Schichten 51, 52 und 53 für eine Vielzahl streifenförmiger, parallel zueinander angeordneten photovoltaischer Elemente A, B, C in den Gräben 55a aufgetrennt sind und durch punktförmige Ausnehmungen 55b isoliert werden können. Die Ausnehmungen haben einen Durchmesser von etwa 200 μm. Im Bereich der ersten Ausnehmungen 55b werden erfindungsgemäße lokal angeordnete Stufengräben 55a und 55b gebildet. Soweit folgt dieses Ausführungsbeispiel dem vierten Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 4.
Der Isolator 56 wird aber als nicht elektrisch leitfahige und diffus reflektierende Schicht ausgeführt und ganzflächig angeordnet, bis alle lokalen Stufengräben 55a, 55b und die Oberfläche 53 der zweiten elektrischen Kontaktschicht damit bedeckt sind. Dies wird mittels Siebdruck durchgeführt. Im Vergleich zu den übrigen Ausführungsbeispielen verläuft dieser Schritt vorteilhaft schneller. Als Isolator wird vorteilhaft ein „weißer Reflektor" gewählt, z. B. weiße Farbe 3070 der Fa. Marabu. Die Schichtdicke beträgt z. B. etwa 20 μm.
Dann wird der Isolator 56 punktförmig und selektiv in den vormaligen Stufengräben 55a, 55b durch die Strukturierung P3a entfernt bzw. strukturiert. Dabei wird der entstehende punktförmige Stufengraben 57a durch P3a so positioniert, dass er sich jeweils zwischen dem rechten und dem linken äußeren Rand des vormaligen Stufengrabens 55b, 55a befindet. Hierdurch wird im Folgenden ein elektrischer Kurzschluss vermieden. P3a erfolgt so, dass die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 51c von Element B freigelegt wird. Die Entfernung geschieht mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd:YVO4-Lasers der Firma Ro- fin, Typ RSY 2OE SHG. Die Leistung des Lasers beträgt 8,1 mW bei einer Pulsfrequenz von 0,16 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Substratseite her durch das transparente Substrat hindurch auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 100 μm ergibt. Der Laser bildet innerhalb der vormaligen nun aufgefüllten ersten Stufengräben 55a, 55b einen zweiten punktförmigen Stufengraben 57a aus, siehe Figur 5 f). Hierdurch wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 51c und die Oberfläche des Substrats 54a wiederum unmittelbar nebeneinander als lokaler Stufengraben 57a freigelegt. Nur auf Grund der Schnittansicht ist in dem Bereich 57a der Isolator erkennbar. P3a wird wiederum entlang aller vormaligen punktförmigen Öffnungen 55b über die Länge aller photovoltaischen Elemente wiederholt. Dadurch werden lateral etwas versetzt angeordnete lokale Stufengräben 57a zu den Stufengräben 55a, 55b hergestellt, welche zur elektrischen Isolation der Zellen von Isolator umgeben sind (siehe Fig. 5 f), siehe auch Fig. 4 j) und 5 i)). Die nach P3a verbleibenden ringförmigen Bereiche 56a, 56b des Isolators verhindern einen Kurzschluss der beiden photovoltaischen Elemente A und B. P3a wird für alle vormaligen punktförmigen Stufengräben 55a, 55b wiederholt.
Im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen erfolgen nun weitere punktförmige Strukturierungen P3b entlang der gestrichelten Linien. Diese bewirken, dass die zweite elektrische Kontaktschicht 53 mit geringerer Leitfähigkeit und somit auch mit geringeren optischen Verlusten ausgeführt werden kann. Dadurch ist es möglich den Isolator als diffusen Reflektor auszuführen, welcher die Energieausbeute erhöht. P3b legt im Bereich der Zellstreifen A, B, C und so weiter die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53 durch weitere punktförmige Ausnehmungen 57b im Isolator 56 frei. Die punktförmigen Ausnehmungen sind in einem dem elektrischen Widerstand der Schicht 53 angepassten Abstand zueinander angeordnet, z.B. in einem Abstand von 1 Millimeter bis 3 Millimeter. Nur durch die Querschnittansicht bedingt ist in den Strukturierungen P3b der hinter der Blattebene angeordnete Isolator erkennbar. Die Entfernung geschieht mittels selektiver Laserablation durch Wahl eines Nd: YVO4-Lasers der Firma Rofϊn, Typ RSY 2OE SHG. Die Leistung des Lasers beträgt hier 8,1 mW bei einer Pulsfrequenz von 0,16 kHz und die Wellenlänge beträgt 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite des Substrates fokussiert. Hierbei wird der Strahl von der Schichtseite her auf die zu abladierende Schicht geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt hierbei eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 100 μm ergibt. Eine Aufsicht zur Fig. 5 f) gibt die Fig. 5 i) an.
Dann werden die zweiten punktförmigen Ausnehmungen 57a und 57b mit Kontaktmaterial 58 ganzflächig verfüllt und dabei die gesamte Oberfläche des Isolators 56 mit Kontaktmaterial 58 bedeckt. Dabei wird die freigelegte Oberfläche 51c der ersten elektrischen Kontaktschicht des photovoltaischen Elements B in den Ausnehmungen 57a mit der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53 des photovoltaischen Elements A und B elektrisch kontaktiert (Fig. 5 g)). Vorteilhaft erfolgt dieses Aufbringen des Kontaktmaterials 58 schnell und mit preiswertem Material wie Aluminium oder Silber, da die Anforderungen an die Reflektion auf Grund des weißen Reflektors als Isolator nicht gegeben sind. Als zusätzlicher Effekt wird diese Reflektion des Isolators sogar durch die Auswahl des Kontakts aus Silber oder Aluminium verbessert.
Es erfolgt P4 zur elektrischen Isolation entlang der gestrichelten Linie über die Länge aller photovoltaischen Elemente. P4 wird durch Laserablation erzeugt. EinNd:YVO4-Lasers der Firma Rofϊn, Typ RSY 20E SHG wird gewählt. Die Leistung des Lasers beträgt 8,1 mW bei einer Pulsfrequenz von 0,16 kHz und die Wellenlänge 532 nm. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat beträgt 800 mm/s. Die Pulsdauer der Einzelpulse beträgt etwa 13 ns. Die Laserstrahlung wird mit einer Fokussiereinheit mit einer Brennweite von 300 mm auf die Schichtseite fokussiert. Der Strahl wird von der Schichtseite her (Rückkontakt) auf die zu abladierende Schicht 56 geleitet. Der fokussierte Strahl besitzt eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung, wobei sich je Puls eine kreisförmige Ablation mit einem Durchmesser von etwa 100 μm ergibt. Einerseits wird dadurch der elektrische Kontakt zwischen der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53a mit der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 51c und damit die Serienverschaltung der beiden photovoltaischen Elemente A und B abgeschlossen (Fig. 5 h)). Andererseits ist durch die Bildung des streifenförmigen Grabens 58a über die Länge der photovoltaischen Elemente die Isolation hergestellt. Eine Aufsicht hierzu gibt Fig. 5 j) an. Ein Kurzschluss in Element B wird dadurch vermieden.
Bei dem Kontaktmaterial 58 kann als Material Silber oder Aluminium verwendet werden. Die Verfüllung der zweiten punktförmigen Ausnehmungen 57a erfolgt mittels Sputterverfahren. Nach P4 ist nur die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53a des photovoltaischen Elements A und nicht die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 53b des photovoltaischen Elements B mit der freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 51c in den punktförmigen Ausnehmungen 57a kontaktiert. Dieser Vorgang wird für alle Gräben und photovoltaischen Elemente wiederholt.
Im Übrigen sind die Verfahrensschritte in den Ausfuhrungsbeispielen in nicht einschränkender Natur anzusehen. Die lateralen Abmessungen der Stufengräben, sowie die Größe und die Abstände der Isolator- und Kontaktstreifen, bzw. -Punkte, sowie die Schichtmaterialien der Schichten der photovoltaischen Elemente als solche und ebenso die Zusammensetzung des Isolators, sowie das Kontaktmaterial, sollen nicht zu einer Einschränkung der Erfindung führen sondern vielmehr weit ausgelegt werden. Insbesondere kann an Stelle der genannten Isolatorlacke eine geeignete Tinte, z. B. konventionelle Tintenstrahldruckertinte, als Isolator verwendet werden. Zudem ist es ohne weiteres möglich, Teile des Moduls mit einem streifenförmigen Isolator (Fig. 1 bis 3) zu versehen und andere Teile des Moduls punktförmig mit Isolator zu versehen. Insofern sind die Verfahren gemäß Ausfuhrungsbeispiele auch gleichzeitig anwendbar.
Die in den Querschnitt- und Aufsichtansichten zu den zwei photovoltaischen Elementen A und B gezeigten Verfahrensschritte der Ausführungsbeispiele 1 bis 5 geben die Serienverschaltung dieser beiden Elemente A und B wieder. Diese Schritte werden entsprechend für die übrigen photovoltaischen Elemente im Modul durchgeführt. Im übrigen werden weitere Ausfuhrungsbeispiele 6 bis 10 angegeben, bei denen in den Figuren 1 f), 2 f), 3 f), 4 f) und 5 f) der Isolator jeweils so strukturiert wird, dass ausschließlich die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht Ic, 21c, 31c, 41c und 51c und nicht auch die jeweils links hiervon benachbarte Substratoberfläche freigelegt wird.
Es werden entsprechend der Ausfuhrungsbeispiele 1 bis 10 weitere Ausfuhrungsbeispiele 11 bis 20 angegeben, bei denen der Isolator und / oder das Kontaktmaterial mit einem Tintestrahldrucker computergesteuert aufgetragen werden.
Im Übrigen werden weitere Ausfuhrungsbeispiele angegeben, bei denen Kombinationen, wie in Tabelle 1, verwirklicht werden. Es ist ohne weiteres denkbar, an Stelle streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente vorgenommener Verfullungen ganzflächig eine Schicht anzuordnen und sodann wiederum zu strukturieren, wie in Ausfuhrungsbeispiel 5.
Figure imgf000043_0001
Figure imgf000044_0001
„Bereich" bezeichnet eine Geometrie über lediglich einen kleineren Bereich der Oberfläche eines photovoltaischen Elements, z. B. einen Bereich in Form eines Punktes, siehe z. B. Fig. 4 h) - k) oder Fig. 5 i). Die Bereiche sind perforationsartig entlang der Streifen angeordnet. W
3 Bei ganzflächiger Kontaktschicht auch auf der zweiten Kontaktschicht des Moduls wird diese ganzflächige Kontaktschicht abschließend strukturiert (s. Fig. 5).
4 hi diesem Fall ist unter Schritt Ig) nur die Aufbringung von Kontaktmaterial in Bereichen möglich

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zur Bildung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente auf einem Substrat mit den Schritten:
a) auf dem Substrat wird eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet,
b) auf der ersten elektrischen Kontaktschicht werden aktive Halbleiterschichten übereinander angeordnet,
c) auf den aktiven Halbleiterschichten wird eine zweite elektrische Kontaktschicht und auf der der ersten Kontaktschicht gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichten angeordnet,
d) es werden eine Mehrzahl paralleler Stufengräben zur Ausbildung und Trennung einer Mehrzahl photovoltaischer Elemente (A, B, C...) gebildet, wobei in den Stufengräben jeweils die Oberfläche des Substrats und die Oberfläche der ersten Kontaktschicht nebeneinander freigelegt werden,
e) in den Stufengräben wird Isolatormaterial angeordnet,
f) das Isolatormaterial wird lokal entfernt, so dass die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements (B) in den Stufengräben freigelegt wird,
g) es wird Kontaktmaterial von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements (A) bis zu der von Isolatormaterial freigelegten Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht des benachbarten photovoltaischen E- lements (B) angeordnet.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) in den Stufengräben die Oberfläche des Substrats über die Länge der photovoltaischen Elemente und die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht neben der freigelegten Substratoberfläche ebenfalls über die Länge der photovoltaischen Elemente oder aber in Bereichen freigelegt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial in Schritt e) von Anspruch 1 über die Länge der photovoltaischen E- lemente oder aber lokal auf den freigelegten Bereichen der ersten elektrischen Kontaktschicht in den Stufengräben angeordnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial in Schritt e) ganzflächig auf der Oberfläche der Schichtstruktur angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial in Schritt f) von Anspruch 1 in den Stufengräben über die Länge der photovoltaischen Elemente oder aber in Bereichen lokal entfernt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der Stufengräben Isolatormaterial über die Länge der photovoltaischen Elemente oder aber in Bereichen entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial in Schritt g) von Anspruch 1 über die Länge der photovoltaischen Elemente oder auf den freigelegten Bereichen der ersten elektrischen Kontaktschicht in den Stufengräben angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial in Schritt g) von Anspruch 1 ganzflächig auf der Oberfläche der Schichtstruktur angeordnet wird.
9. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass parallel benachbart zu den Stufengräben das Kontaktmaterial zur Freilegung der Oberfläche des Isolators über die Länge der photovoltaischen Elemente entfernt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite elektrische Kontaktschicht eine Schicht mit geringerer Leitfähigkeit als die der ersten elektrischen Kontaktschicht gewählt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weißer Reflektor als Isolator gewählt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch streifenförmige oder punktförmige Bereiche.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung der isolierten Bereiche und der kontaktierten Bereiche zueinander, so dass Kurzschlüsse in den photovoltaischen Elementen vermieden werden.
14. Solarmodul mit einer Vielzahl an parallel angeordneten photovoltaischen Elementen zwischen denen Isolatormaterial in Stufengräben angeordnet ist und bei dem in dem Isolatormaterial Kontaktmaterial angeordnet ist, welches eine zweite elektrische Kontaktschicht eines photovoltaischen Elements mit der ersten elektrischen Kontaktschicht eines benachbarten Elements kontaktiert.
15. Solarmodul nach vorherigem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolator- und / oder Kontaktmaterial streifenförmig über die Länge des photovoltai- schen Elements oder in Bereichen, vorzugsweise punktförmig angeordnet vorliegt.
16. Solarmodul nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial ganzflächig auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet vorliegt.
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