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DE102010051606A1 - Glasscheibe zur Dünnschichtsolarmodul-Herstellung - Google Patents

Glasscheibe zur Dünnschichtsolarmodul-Herstellung Download PDF

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Roland Dr. Weidl
Helmut Popp
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Ecoran GmbH
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Schott Solar AG
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Abstract

Eine Glasscheibe zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, die mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht (3) versehen ist, weist zur Streuung des einfallenden Lichts eine raue Oberfläche auf. Auf der von der Metalloxidschicht (3) abgewandten Seite ist die Glasscheibe (2) zur Antireflexion des Lichts mit einer rauen Oberfläche versehen, die zusammen mit der Metalloxidschicht auf der abgewandten Seite zu einer Erhöhung des diffus gestreuten Lichtes führt. Die Metalloxidschicht (3) führt zu 5 bis 40% diffusen Anteils der Streuung (Haze) bei 550 nm Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Glasscheibe zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Dünnschichtsolarmodule weisen als transparentes Substrat meist eine Glasscheibe auf, die mit einer Schicht aus einem transparenten leitfähigen Metalloxid (transparent conductive oxide, TCO) als Frontelektrodenschicht beschichtet ist, auf der aufeinander eine Halbleiterschicht und eine zum Beispiel metallische Rückelektrodenschicht abgeschieden sind.
  • Um den Lichtweg in der Halbleiterschicht und damit die Leistung des photovoltaischen Moduls zu erhöhen, ist es bekannt, die TCO-Schicht auf der der Halbleiterschicht zugewandten Seite der Glasscheibe durch Pyramidenstrukturen und dergleichen rau auszubilden, um das einfallende Licht zu streuen. Damit kann der Kurzschlussstrom (Isc) als wesentlicher Kennwert für die Leistung eines Dünnschichtsolarmoduls deutlich erhöht werden.
  • Auf der anderen Seite nimmt die Leerlaufspannung (Voc) des Dünnschichtsolarmoduls und damit ein genauso wichtiger Kennwert für die Leistung mit zunehmender Rauheit der TCO-Schicht ab.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kennwerte eines Dünnschichtsolarmoduls, insbesondere dessen Leistung wesentlich zu verbessern.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Glasscheibe erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Glasscheibe wiedergegeben.
  • Nach dem Anspruch 7 kann die erfindungsgemäße Glasscheibe als Ausgangsmaterial bei der Herstellung eines Solarmoduls eingesetzt werden, also mit der Antireflexionsschicht bereits versehen sein, wenn auf der TCO-Schicht die Halbleiterschicht und die Rückelektrodenschicht nacheinander abgeschieden werden.
  • Nach dem Anspruch 9 wird die Glasscheibe hingegen erst in einem späteren Prozessschritt bei der Herstellung des Dünnschichtsolarmoduls mit einer Antireflexionsschicht versehen.
  • Erfindungsgemäß wird die Leistung eines Dünnschichtsolarmoduls dadurch wesentlich erhöht, dass einerseits durch eine eher geringe Rauheit der der Halbleiterschicht zugewandten Oberfläche der TCO-Schicht, also der Frontelektrodenschicht, durch die TCO-Schicht nur ein entsprechend geringer Anteil diffuser Streuung von 5 bis 40%, insbesondere 5 bis 20% erzielt wird, bei einer Lichtwellenlänge von 550 nm gemessen.
  • Die Streuung (sogenannter „Haze”) wird bestimmt, indem für senkrecht auf die Glasscheibe einfallendes Licht einer Wellenlänge von 550 nm der Anteil des transmittierten Lichtes bestimmt wird, der unter Winkeln von weniger als 5° gestreut wird (eingestreutes Licht) und der Anteil, der unter größeren Streuwinkeln als 5° (gestreutes Licht) transmittiert wird. Die Streuung (Haze) ergibt sich dann aus dem Verhältnis des gestreuten Lichts zu dem insgesamt transmittierten Licht, welches das gestreute und das ungestreute Licht umfasst.
  • Die Messung der Streuung (Haze) kann z. B. mit Hilfe einer Ulbricht-Kugel mit zwei gegenüberliegenden Öffnungen (Eintritt und Austritt) durchgeführt werden, wobei sich die Streuschicht, auf welche der Laserstrahl fällt, z. B. in der Ebene der Eintrittsöffnung befindet, und die Austrittsöffnung so dimensioniert ist, dass Licht mit Streuwinkeln unter 5° durch diese austritt.
  • Damit wird eine hohe Leerlaufspannung (Voc) erzielt. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass durch die niedrige Rauheit der TCO-Schicht auf der der Halbleiterschicht zugewandten Seite der Glasscheibe bei der anschließenden Abscheidung der Halbleiterschicht auf der TCO-Schicht beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) durch die geringe Rauheit der TCO-Schicht weniger Störstellen entstehen.
  • Andererseits ist die Glasscheibe auf der von der TCO-Schicht abgewandten Seite zur Antireflexion mit einer rauen Oberfläche versehen. Die raue Oberfläche der Glasscheibe führt zusätzlich zu einer Streuung des Lichts und damit einer Verlängerung des Lichtwegs in der Halbleiterschicht, wodurch der Kurzschlussstrom (Isc) erhöht wird. Im Ergebnis wird damit ein Dünnschichtsolarmodul hoher Leistung gebildet, dadurch dass Teile des diffusen Anteils der Streuung (Haze) auf die Antireflexschicht verlagert werden zugunsten eines morphologisch schichtbildungsoptimierten TCOs.
  • Es ist bekannt, die Glasscheibe eines Dünnschichtsolarmoduls mit einer rauen Antireflexionsoberfläche zu versehen. Dabei kann die Glasscheibe mit einer entsprechenden Rauigkeit hergestellt werden (vgl. z. B. US 6365823 B1 ) oder mit einer rauen Antireflexionsschicht versehen sein, die beispielsweise aus transparenten Partikeln in einer transparenten Matrix besteht (vgl. z. B. EP 1058320 A2 ).
  • Dabei wird die Antireflexionsoberflächenschicht alleine zu einem diffusen Anteil der Streuung (Haze) führen, der, bei 550 nm gemessen, einen Wert von 5 bis 20%, insbesondere 5 bis 10% erreicht.
  • Um die Antireflexionseigenschaften zu verbessern, kann zusätzlich die mittlere Brechzahl der Antireflexionsschicht so gebildet werden, dass sie niedriger ist als die Brechzahl des Glases der Glasscheibe.
  • Die Glasscheibe kann beispielsweise aus einem Kalk-Natron-Glas oder einem Borosilikat-Glas bestehen. Die Dicke der Glasscheibe beträgt vorzugsweise maximal 4 mm, um einen größeren Lichtverlust im Glas zu verhindern. Um eine hinreichende Festigkeit bei der Handhabung zu besitzen, sollte die Dicke der Glasscheibe jedoch mindestens 0,5 mm betragen.
  • Die raue transparente, elektrisch leitende Metalloxid- oder TCO- oder Frontelektrodenschicht kann aus Zinnoxid, beispielsweise dotiertem Zinnoxid bestehen oder z. B. aus Zinkoxid oder einem Material, dass z. B. leitfähige „Nanotubes” enthält.
  • Die TCO-Schicht kann beispielsweise durch Sputtern auf die Glasscheibe aufgebracht und anschließend geätzt werden, um die raue Oberfläche auf der von der Glasscheibe abgewandten Seite der TCO-Schicht zu erzeugen. Auch kann sie beispielsweise durch Niederdruck CVD (Low Pressure CVD, LPCVD) durch entsprechende Prozesssteuerung gebildet werden, oder durch CVD bei Atmosphärendruck (atmospheric Pressure oder APCVD). Ferner kann die raue TCO-Schicht durch einen Pyrolyseprozess, beispielsweise durch „On-line”-Beschichtung, also bei Herstellung des Glasbands in der Floatglas-Anlage gebildet werden, aber auch durch eine „Off-line”-Beschichtung der auf Endmaß zugeschnittenen Glasscheiben. Auch Walzglas mit aufgeprägter Struktur ist denkbar.
  • Zudem sind Glasscheiben, die mit einer rauen TCO-Schicht beschichtet sind, im Handel erhältlich. Dabei kann die Rauigkeit, die erfindungsgemäß zu einem diffusen Anteil der Streuung (Haze) von 5 bis 40%, insbesondere 5 bis 20% führt, beispielsweise durch chemisches, plasmabasiertes oder Ionenstrahl-Ätzen oder mechanisch, z. B. durch Polieren eingestellt werden.
  • Zwischen der Glasscheibe und der TCO-Schicht ist normalerweise noch eine Barriereschicht z. B. aus Siliziumoxid vorgesehen, durch die insbesondere verhindert wird, dass Natriumionen aus dem Glas in die Halbleiterschicht diffundieren. Während die mittlere Schichtdicke der TCO-Schicht 0,2 bis 5 μm, insbesondere 0,5 bis 2 μm betragen kann, weist die Barriereschicht eine wesentlich geringere Schichtdicke von beispielsweise 5 bis 200 nm auf.
  • Die Halbleiterschicht kann durch eine Einfachzelle (single junction) oder Mehrfachzelle (multi junction), also z. B. eine Tandem- oder Tripelzelle gebildet sein.
  • Als Halbleiter wird vorzugsweise Silizium verwendet. Bei einer Mehrfachzelle kann dabei ein Siliziummaterial mit der gleichen Bandlücke für die einzelnen Teilzellen verwendet werden, beispielsweise amorphes Silizium, oder Siliziummaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken, beispielsweise amorphes Silizium in einer oder mehreren Teilzellen der Mehrfachzelle und mikrokristallinem Silizium in der oder den übrigen Teilzellen oder amorphes Silizium in einer oder mehreren Teilzellen und amorphes Siliziumgermanium in der oder den übrigen Teilzellen der Mehrfachsolarzelle.
  • Die Halbleiterschicht wird vorzugsweise durch CVD, insbesondere plasmagestütztes CVD (plasma enhanced, PECVD) auf die TCO-Schicht aufgebracht.
  • Die Antireflexionsschicht kann auf die Glasscheibe vor oder nach dem Aufbringen der TCO-Schicht aufgetragen werden.
  • Wenn die Glasscheibe das Ausgangsmaterial zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls bildet, wird beispielsweise die z. B. im Handel erhältliche mit der TCO-Schicht versehene Glasscheibe mit der Antireflexionsschicht versehen.
  • Die Antireflexionsschicht kann auf die Glasscheibe jedoch auch erst in einem späteren Prozessschritt bei der Dünnschichtsolarmodulherstellung aufgetragen werden. Dies kann bei der Herstellung eines Solarmoduls vorteilhaft sein, bei dem die TCO- oder Frontelektrodenschicht, die Halbleiterschicht und die Rückelektrodenschicht durch serienverschaltete Einzelzellen gebildet werden. Um diese Einzelzellen zu bilden, wird nämlich die TCO-Schicht und die Halbleiterschicht normalerweise mit einem Laser strukturiert. Wenn das Laserlicht jedoch durch die Glasscheibe hindurch eingestrahlt wird und diese mit einer rauen Antireflexionsschicht versehen ist, kann das Laserlicht gestreut und damit gegebenenfalls die Qualität des Dünnschichtsolarmoduls herabgesetzt werden.
  • Das heißt in diesem Fall bildet das Aufbringen der Antireflexionsschicht auf die Glasscheibe einen weiteren Zwischenschritt bei der Herstellung des Dünnschichtsolarmoduls, welches dann z. B. mit der Rückseitenverkapselung, Kontaktbändern, Kabeln usw. fertiggestellt werden kann.
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch
  • 1 einen Querschnitt durch ein Dünnschicht-Solarrohmodul mit weggebrochenem Mittelteil; und
  • 2 einen Querschnitt durch die mit der rauen TCO-Schicht und der Antireflexionsschicht versehene Glasscheibe des Rohmoduls nach 1.
  • Gemäß 1 weist das Dünnschichtrohmodul 1 eine Glasscheibe 2 als transparentes Substrat auf, die an der Lichteinfallsseite des Moduls angeordnet ist. Auf der Glasscheibe 2 sind drei Funktionsschichten, nämlich eine transparente Frontelektroden- oder TCO-Schicht 3, eine Halbleiterschicht 4 und eine Rückelektrodenschicht 5 aufeinander abgeschieden.
  • Das Modul 1 besteht aus einzelnen streifenförmigen Zellen C1, C2...C10, die serienverschaltet sind. Dazu ist die Frontelektrodenschicht 3 durch Trennlinien 6, die Halbleiterschicht 4 durch Trennlinien 7 und die Rückelektrodenschicht 5 durch Trennlinien 8 unterbrochen. Die Trennlinien 6, 7 und 8 werden z. B. mit einem Laser erzeugt. Der durch das fertige Dünnschichtsolarmodul erzeugte Strom wird von den Kontaktbereichen 9, 10 an den gegenüberliegenden Längsseiten des Moduls 1 beispielsweise mit Kontaktbändern abgenommen.
  • Gemäß 2 ist die Glasscheibe 2 auf der Lichteinfallsseite mit einer rauen Antireflexionsschicht 12 versehen. Auch ist aus 2 ersichtlich, dass die TCO-Schicht 3 an der von der Glasscheibe 2 abgewandten, also der Halbleiterschicht 4 zugewandten Seite rau ausgebildet ist. Die raue TCO-Schicht 3 führt zu einem diffusen Anteil der Streuung (Haze) bei einer Wellenlänge des Lichts von 550 nm zwischen 5 und 40%.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6365823 B1 [0014]
    • EP 1058320 A2 [0014]

Claims (9)

  1. Glasscheibe zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, die mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht (3) versehen ist, die zur Streuung des einfallenden Lichts eine raue Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe (2) auf der von der Metalloxidschicht (3) abgewandten Seite zur Antireflexion des Lichts eine raue Oberfläche aufweist und die Metalloxidschicht (3) zu einem diffusen Anteil der Streuung (Haze) zwischen 5 und 40% bei 550 nm Wellenlänge des einfallenden Lichtes führt.
  2. Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschicht (3) höchstens zu 30% des diffusen Anteils der Streuung (Haze) bei 550 nm Wellenlänge des einfallenden Lichtes führt.
  3. Glasscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschicht (3) zu mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% des diffusen Anteils der Streuung (Haze) bei 550 nm Wellenlänge des einfallenden Lichts führt.
  4. Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die raue Oberfläche der Glasscheibe (2) zur Antireflexion durch eine Antireflexionsschicht (12) gebildet wird.
  5. Glasscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (12) aus einem Material besteht, das eine niedrigere mittlere Brechzahl als das Glas der Glasscheibe (2) aufweist.
  6. Glasscheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe eine Dicke von höchstens 5 mm aufweist.
  7. Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie das Ausgangsmaterial für die Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls bildet.
  8. Glasscheibe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Metalloxidschicht (3) mit der rauen Oberfläche und mit der rauen Oberfläche (12) zur Antireflexion versehene Glasscheibe (2) zu einem erhöhten diffusen Anteil der Streuung (Haze) bei 550 nm Wellenlänge des einfallenden Lichtes führt gegenüber derselben Glasscheibe, die die Metalloxidschicht (3) mit der rauen Oberfläche jedoch ohne die raue Oberfläche (12) zur Antireflexion aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Moduls, das eine Glasscheibe nach Anspruch 3 oder 4 und durch Laserstrukturierung serienverschaltete Einzelzellen (C1, C2...C10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (12) auf die Glasscheibe (2) nach der Laserstrukturierung aufgebracht wird.
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