DE10320868B4

DE10320868B4 - Photovoltaikeinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10320868B4
Application number: DE10320868A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Brendel; Wolfram Kintzel
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2023-05-10
Also published as: DE10320868A1

Abstract

Photovoltaikeinrichtung (100) mit mindestens einem Solarzellenmodul (10) aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen (20, 23, 24), die so angeordnet sind, dass jeweils ein p-dotierter und ein n-dotierter Kontaktbereich (21, 22) benachbarter Solarzellen (23, 24) einander gegenüberliegend ausgerichtet sind, wobei
zwischen den p-dotierten und n-dotierten Kontaktbereichen (21, 22) der benachbarten Solarzellen (23, 24) eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (30) vorgesehen ist, über welche die Solarzellen fest verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils benachbarte Solarzellen (23, 24) verschieden ausgerichtete Seitenflächen (27, 28) besitzen, so dass das Solarzellenmodul (10) wenigstens eine strukturierte Oberfläche besitzt, und
die Oberflächen der Seitenflächen (27, 28) entgegengesetzt zum Inneren der Solarzelle dotiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft Photovoltaikeinrichtungen mit mindestens einem integrierten Solarzellenmodul und Verfahren zur Herstellung von Photovoltaikeinrichtungen.
Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen mit zunehmender Fläche wegen Serienwiderstandsverlusten der Solarzelle abnimmt. Durch die mit der Zellfläche zunehmende elektrische Stromstärke kommt es zu unerwünscht hohen Verlusten. Zur Vermeidung dieser Verluste werden Solarzellen elektrisch in Reihe geschaltet (Bildung eines Solarzellenmoduls), wobei sich vorteilhafterweise die Ausgangsspannungen der einzelnen Solarzellen addieren (siehe z. B. US 4 174 561 A aus welcher der Oberbegriff von Anspruch 1 gebildet ist).
Es ist ferner bekannt, integrierte Solarzellenmodule aus texturierten Solarzellen auf einem Halbleiterwafer herzustellen, auf dem die Solarzellen einzeln verdrahtet und als Modul einlaminiert werden (siehe S. Keller, Dissertation Universität Konstanz, 2000, "Neue Konzepte für monolithisch integrierte kristalline Solarzellen", z. B. S. 6 bis 12). Diese Technik ist nachteilig, da sie mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden ist. Die Solarzellen müssen einzeln strukturiert werden. Die Verdrahtung der einzelnen Solarzellen durch Verlöten ist ebenfalls technisch aufwendig und teuer. Ein wesentlicher Nachteil des fertigen Solarzellenmoduls ergibt sich aus den Abschattungsverlusten durch metallische Kontaktfinger, über die die Solarzellen elektrisch verbunden werden. Diese Abschattungsverluste können bis zu 15% betragen.
Die Abschattungsverluste können mit integrierten Solarzellenmodulen vermindert werden, bei denen die Solarzellen so angeordnet sind, dass gerade ein p-dotierter Bereich einer Solarzelle an den n-dotierten Bereich einer benachbarten Solarzelle angrenzt. Beispielsweise wird in WO 02/45143 A1 beschrieben, durch eine Strukturierung eines Halbleiterwafers streifenförmige Solarzellen herzustellen, die an gegenüberliegenden Längsseiten p- und n-dotiert sind. Die zunächst im Verbund mit dem Halbleiterwafer nebeneinander angeordneten Solarzellen werden vom Halbleiterwafer abgetrennt und zur gewünschten Ausrichtung der p- und n-dotierten Bereiche auf einem Fremdsubstrat fixiert. Nach der Positionierung der Solarzellen auf dem Fremdsubstrat werden elektrische Verbindungen auf den p- und n-dotierten Bereichen hergestellt. Das aus WO 02/45143 A1 bekannte Verfahren besitzt mehrere Nachteile. Erstens kann der Abschattungsverlust nicht vollständig vermieden werden. Des Weiteren ist der technische Aufwand der Modulherstellung sehr hoch. Die streifenförmigen Solarzellen mit typischen Querschnittsdimensionen im mm- bis sub-mm-Bereich erfordern besondere Maßnahmen für eine schonende Handhabung. Die Solarzellen müssen auf einem Fremdsubstrat angeordnet werden. Schließlich können die Solarzellenmodule nur beschränkt für spezielle Anwendungen modifiziert werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Photovoltaikeinrichtungen auf der Grundlage mindestens eines Solarzellenmoduls bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Photovoltaikeinrichtungen vermieden werden und die insbesondere einfacher herstellbar sind. Erfindungsgemäße Photovoltaikeinrichtungen sollen sich insbesondere durch die Vermeidung von Abschattungsverlusten und eine erhöhte Gestaltungsflexibilität zur Anpassung an verschiedene Einsatzbedingungen auszeichnen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Herstellung von Photovoltaikeinrichtungen bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Techniken vermieden werden. Erfindungsgemäße Verfahren sollen insbesondere einen vereinfachten Verfahrensablauf aufweisen und die Bearbeitung empfindlicher Solarzellenstreifen vermeiden.
Diese Aufgaben werden mit Phtotovoltaikeinrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorrichtungsbezogen basiert die vorliegende Erfindung insbesondere darauf, bei einem integrierten Solarzellenmodul aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen elektrische Kontakte zwischen p-dotierten und n-dotierten Bereichen benachbarter Solarzellen jeweils durch eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht zu bilden, die zwischen den benachbarten Solarzellen angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird der elektrische Kontakt zwischen den aneinanderstoßenden Kontaktbereichen benachbarter Solarzellen mit der Kontaktschicht bereitgestellt. Die übrige Oberfläche der Solarzellen außerhalb der Kontaktbereiche, also die freie Oberfläche des Solarzellenmoduls, ist frei von der Kontaktschicht, so dass eine Abschattung vollständig vermieden wird. Die elektrisch leitfähige Kontaktschicht hat ferner den Vorteil, dass die Solarzellen miteinander mechanisch fest verbunden sind, so dass das Solarzellenmodul an sich ein frei tragendes Bauteil bildet. Damit können insbesondere die Größe und Oberflächengestaltung des Solarzellenmoduls und dessen Anwendung in einer Photovoltaikeinrichtung optimal an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Des Weiteren besitzen jeweils benachbarte Solarzellen Seitenflächen, die relativ zur Ausdehnung des Solarzellenmoduls verschieden ausgerichtet oder geneigt sind, so dass das Solarzellenmodul wenigstens auf einer Seite eine strukturierte Oberfläche besitzt. Die strukturierte Oberfläche zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche nicht glatt und eben ist, sondern durch die verschieden geneigten Seitenflächen der Solarzellen insbesondere dreiecks- oder sägezahnförmige Erhebungen aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzen die Solarzellen jeweils eine Streifen- oder Strangform im Wesentlichen in Gestalt eines langgestreckten Quaders, dessen Längsseiten eine Stirnfläche, eine Rückfläche und Seitenflächen bilden, wobei jede Solarzelle erfindungsgemäß an der Oberfläche der Stirn- und Seitenflächen entgegengesetzt zum Inneren der Solarzelle und deren Rückfläche dotiert sind und die elektrisch leitfähige Kontaktschicht jeweils zwischen den Stirn- und Rückflächen benachbarter Solarzellen vorgesehen ist. Vorteilhafterweise bleiben dadurch die entlang den Seitenflächen gebildeten p-n-Übergänge für die Lichtabsorption und Ladungsträgergeneration frei.
Erfindungsgemäß können die Seitenflächen relativ zu den parallelen Stirn- und Rückflächen geneigt ausgerichtet sein. In diesem Fall können sich Vorteile für die Gestaltung der Oberfläche des Solarzellenmoduls ergeben.
Wenn die Solarzellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung so zusammengesetzt sind, dass die Seitenflächen der miteinander verbundenen Solarzellen eine ebene Oberfläche des Solarzellenmoduls ergeben, können sich Vorteile für die Handhabung des Solarzellenmoduls und den Einbau in die Photovoltaikeinrichtung ergeben. Erfindungsgemäß sind die Solarzellen so zusammengesetzt, dass die Seitenflächen eine strukturierte, insbesondere eine gewellte Oberfläche bilden. In diesem Fall können sich Vorteile für eine erhöhte Effektivität der Photovoltaikeinrichtung durch Licht-Mehrfachreflektionen ergeben.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß verwendeten Solarzellenmoduls besteht darin, dass es ein freitragendes Bauteil bildet, das vor seinem Einbau in eine Photovoltaikeinrichtung zusätzlichen Bearbeitungsschritten unterzogen werden kann. Beispielsweise kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf der Oberfläche des Solarzellenmoduls eine reflektionsmindernde Beschichtung gebildet werden, die die Effektivität der Lichtsammlung erhöht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kontaktschicht zwischen den aneinanderstoßenden Kontaktbereichen benachbarter Solarzellen durch eine elektrisch leitfähige Klebstoffschicht gebildet. Die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs kann Vorteile für eine hohe Stabilität der Verbindung der Solarzellen besitzen. Das Solarzellenmodul bildet ein integrales Bauteil, das eine erheblich höhere Stabilität als die herkömmlich einzeln bearbeiteten Solarzellen besitzt.
Wenn gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zwischen der Klebstoffschicht und den angrenzenden p-dotierten und n-dotierten Kontaktbereichen jeweils eine Metallschicht vorgesehen ist, kann dies für die Bildung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen den Solarzellen von Vorteil sein.
Einen besonderen Vorteil der Erfindung stellt dar, dass das Solarzellenmodul stabil mit mindestens zwei Solarzellen hergestellt werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellenmodulen kann eine größere Fläche zur Lichtabsorption bereitgestellt werden. Die Lichtabsorption kann auf beiden Seiten des Solarzellenmoduls erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Photovoltaikeinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens ein integriertes Solarzellenmodul, das in einer Laminatschicht auf einem festen Träger angeordnet ist. Die se Einbettung in der Laminatschicht bietet vorteilhafterweise einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen. Da das Solarzellenmodul ein freitragendes Bauteil bildet, kann es ohne besonderen technischen Aufwand in der Laminatschicht mit einem Abstand vom Träger eingebettet werden. Damit wird vorteilhafterweise ein Raum für zusätzliche Mehrfachreflektionen zwischen dem Solarzellenmodul und dem Träger geschaffen, der ggf. mit einem zusätzlichen Reflektor ausgestattet ist.
Verfahrensbezogen wird die obengenannte Aufgabe durch die allgemeine technische Lehre gelöst, die Solarzellen durch eine Strukturierung einer Vielzahl von scheibenförmigen Halbleiterkörpern (Wafern) herzustellen, die Halbleiterkörper stapelförmig über elektrisch leitfähige Kontaktschichten fest miteinander zu verbinden, wobei mit entgegengesetzt dotierten Kontaktbereichen aneinandergrenzende Solarzellen benachbarter Halbleiterkörper jeweils die gleiche Größe und Form der Kontaktbereiche besitzen, und anschließend die Halbleiterkörper entlang der Stapelrichtung so zu durchtrennen, dass Stapel von Solarzellen gebildet werden, die jeweils ein integriertes Solarzellenmodul darstellen. Im Unterschied zu herkömmlichen Techniken werden integrierte Solarzellenmodule nicht einzeln aus einer Vielzahl von Solarzellen, sondern gleichzeitig aus einer Vielzahl von Halbleiterkörpern hergestellt. Diese Technik besitzt eine Reihe von Vorteilen, insbesondere in Bezug auf die Schaffung beidseitig absorbierender, frei tragender Solarzellenmodule und die Vermeidung des Umgangs mit einzelnen Solarzellen. Dies ermöglicht, dass die einzelnen Solarzellen mit verminderten Querschnittsdimensionen hergestellt werden können, so dass die oben beschriebenen Verluste durch großflächige Solarzellen vermieden werden.
Wenn gemäß einer Variante der Erfindung die Strukturierung der Halbleiterkörper durch nasschemisches Ätzen erfolgt, können sich Vorteile in Bezug auf eine schonende Bearbeitung des Halb leiters ergeben. Die Bildung effektivitätsmindernder Störstellen im Halbleitermaterial kann vermieden werden. Wenn alternativ die Strukturierung durch eine mechanische Bearbeitung, z. B. durch Sägen erfolgt, können die Solarzellen vorteilhafterweise mit einer hohen Genauigkeit gebildet werden.
Die elektrisch leitfähige Kontaktschicht zwischen den Halbleiterkörpern wird vorzugsweise durch eine Klebstoffschicht gebildet. Die Verwendung eines Klebstoffs besitzt den Vorteil, dass die Solarzellen innerhalb des Solarzellenmoduls einen festen, stabilen Verbund bilden. Als leitfähiger Klebstoff wird beispielsweise ein kommerziell verfügbarer, elektrisch leitfähiger Epoxidharzkleber verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen der Kontaktschicht und den angrenzenden Kontaktbereichen des Halbleiterkörpers jeweils eine Metallschicht aufgebracht. Diese Metallisierung erfolgt gemäß einer ersten Variante durch Aufdampfen im Vakuum, wobei sich Vorteile für die schonende Behandlung des Halbleiterkörpers ergeben können. Alternativ kann die Metallschicht mit einer Siebdrucktechnik durch Einbrennen einer elektrisch leitfähigen Siebdruckpaste gebildet werden, wobei sich Vorteile für die Beeinflussung der Dotierung in den Solarzellen ergeben können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine Draufsicht auf einen strukturierten Halbleiterkörper,
2, 3: vergrößerte Schnittansichten strukturierter Halbleiterkörper vor und nach einer Oberflächendotierung,
4: einen Stapel strukturierter Halbleiterkörper (Ausschnitt),
5: drei Solarzellenmodule, die von einem Stapel gemäß 4 abgetrennt sind (Ausschnitt), und
6: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaikeinrichtung (Ausschnitt).
Die Umsetzung der Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem integrierte Solarzellenmodule aus einem Stapel strukturierter Siliziumwafer hergestellt werden. Es wird betont, dass die Erfindung alternativ mit anderen Halbleitermaterialien, die an sich zur Herstellung von Solarzellen bekannt sind, wie z. B. GaAs oder CdTe umsetzbar ist. Des Weiteren wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung nicht auf die beispielhaft angegebenen Formen, Größen und Dotierungseigenschaften von Solarzellen und Solarzellenmodulen beschränkt, sondern je nach Anwendung mit abgewandelten Dimensionen, Zellformen und Dotierungen realisiert werden kann.
1 zeigt beispielhaft die Draufsicht auf einen quadratischen Halbleiterkörper 60 mit einer Oberflächenstruktur 61, der in vergrößerter Schnittansicht entlang der Linie II-II ausschnittsweise in 2 gezeigt ist. Der Halbleiterkörper 60 besteht beispielsweise aus monokristallinem oder multikristallinem Silizium mit einer anwendungsabhängig gewählten Dicke, z. B. im Bereich von 250 μm bis 5 mm. Der Halbleiterkörper besitzt eine Grunddotierung vom p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ωcm bis 5 Ωcm. Die p-Dotierung wird in an sich bekannter Weise mit Bor erzeugt. Die Fläche des Halbleiterkörpers 60 beträgt beispielsweise 10 cm·10 cm bis 20 cm·20 cm.
Der Halbleiterkörper 60 besitzt eine ebene Schichtform mit einer Vorderseite 62 und einer Rückseite 63, wobei auf der Vorderseite 62 durch die Oberflächenstruktur 61 eine Vielzahl von Halbleiterstreifen 65 gebildet sind, die durch grabenförmige Vertiefungen 64 voneinander getrennt sind. Im fertigen Solarzellenmodul repräsentieren die Halbleiterstreifen 65 die Körper der einzelnen Solarzellen 20, 23, 24. Die Halbleiterstreifen 65 bilden zum Beispiel gerade, sich über die Vorderseite 62 erstreckende Stege oder Stränge jeweils mit einer Stirnfläche 25, einer Rückfläche 26 und Seitenflächen 27, 28 (siehe 2). Alternativ können die Halbleiterstreifen eine gekrümmte Form besitzen.
Die Oberflächenstruktur 61 kann mechanisch erzeugt werden, indem z. B. mit einer Chipsäge die Vielzahl paralleler, voneinander beabstandeter, grabenförmiger Vertiefungen 64 ausgesägt werden. Alternativ erfolgt entsprechend einem an sich bekannten Verfahren nach geeigneter Maskierung der Oberfläche mit dem gewünschten Strukturierungsmuster ein nasschemisches Ätzen der grabenförmigen Vertiefungen 64. Die Grabenbreite wird im Bereich von 25 μm bis 300 μm gewählt, während die Breite der Halbleiterstreifen 65 zwischen den Vertiefungen 64 im Bereich von 25 μm bis 300 μm gewählt ist. Die Tiefe der grabenförmigen Vertiefungen 64 ist typischerweise einige Mikrometer geringer als die Dicke des Halbleiterkörpers 60. Die Oberflächenstruktur 61 kann, wie es in den Figuren illustriert ist, auf einem Halbleiterkörper jeweils gleichförmig gebildet sein. Alternativ kann die Oberflächenstruktur 61 ungleichförmig mit einer Form- und/oder Größenverteilung gebildet sein, indem auf einem Halbleiterkörper verschiedene Breiten oder Längen der Halbleiterstreifen, Grabenbreiten oder Winkel der Seitenflächen erzeugt werden.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass die Halbleiterstreifen 65 mit geringen Querschnittsdimensionen im Sub- Millimeter-Bereich ohne verfahrenstechnische Nachteile erzeugt werden können, da die Halbleiterstreifen 65 aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung nicht einzeln bearbeitet oder bewegt werden müssen.
2 illustriert schematisch, dass die grabenförmigen Vertiefungen derart gebildet sind, dass die Seitenflächen 27, 28 gegenüber der Ausrichtung der Vorder- und Rückseiten 62, 63 des Halbleiterkörpers 60 um einen Winkel α geneigt sind. Der Winkel α zwischen den Seitenflächen (Grabenflanke) und der Substratoberfläche (Vorder- oder Rückseiten) ist beispielsweise im Bereich zwischen 10° und 90° gewählt. Wenn der Winkel α = 90° beträgt, so sind die Halbleiterstreifen 65 Quader mit rechteckigem Querschnitt, und die daraus gebildeten Solarzellenmodule besitzen eine ebene Oberfläche.
Nach der Strukturierung des Halbleiterkörpers 60 erfolgt gegebenenfalls eine Nachbearbeitung. Falls die Vertiefungen 64 mit einer Chipsäge erzeugt wurden, erfolgt beispielsweise ein nasschemisches Ätzen der Oberflächenstruktur 61 zur Beseitigung eventueller Sägeschäden. Vorteilhafterweise werden dadurch Störstellen, die durch den mechanischen Einfluss im Verbund des Halbleiterkörpers 60 erzeugt wurden und unerwünschte Rekombinationsplätze bilden könnten, beseitigt. Das nasschemische Ätzen erfolgt beispielsweise mit einer Kalium- oder Natriumhydroxidlösung oder einem Gemisch aus Flusssäure und Salpetersäure. Alternativ sind Plasmaätzverfahren, wie z. B. ein RIE-Ätzen mit Mikrowellenanregung möglich. Die Nachbearbeitung umfasst des Weiteren einen an sich bekannten, standardmäßigen Reinigungsschritt, wie beispielsweise eine RCA-Reinigung.
Nach der Reinigung erfolgt eine Dotierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers 60 mit einem Dotierstoff, so dass auf der Oberfläche zumindest einseitig auf der Vorderseite 62 eine zum Halbleiterkörper 60 entgegengesetzte Dotierung (hier: n- Dotierung) erzeugt wird. Der Dotierstoff wird in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Diffusion bei erhöhter Temperatur in den Halbleiterkörper 60 eingebracht. Es erfolgt beispielsweise eine Diffusion von Phosphor bei 800°C. Die einseitige Dotierung ist schematisch in 3 gezeigt.
Der n-dotierte Bereich ist schematisch vom p-dotierten Halbleiterkörper durch eine gestrichelte Linie getrennt illustriert. Nach der Diffusionsbehandlung wird das auf der Oberfläche verbliebene Restmaterial, z. B. Phosphorglas mit verdünnter Flusssäure entfernt. Falls eine zweiseitige Diffusionsbehandlung erfolgt ist, wird der n-dotierte Bereich auf der Rückseite 63 durch nasschemisches Ätzen mit einer Flussäure-Salpetersäure-Lösung oder einer alkalischen Lösung (z. B. KOH) oder durch Plasmaätzen entfernt.
Der Halbleiterkörper 60 besitzt entsprechend den Stirn- und Rückflächen 25, 26 in den Halbleiterstreifen 65 entgegengesetzt dotierte Bereiche. Diese werden hier als Kontaktbereiche 22, 21 bezeichnet, da Kontaktbereiche 22, 21 benachbarter Solarzellen im zusammengesetzten Solarzellenmodul zueinander weisen und. elektrisch kontaktiert werden.
Anschließend werden auf der nach der Strukturierung verbliebenen Vorderseite 62 (Stirnflächen 25) und auf der Rückseite 63 des Halbleiterkörpers Metallschichten 32, 33 aufgebracht. Die Metallisierung erfolgt vorzugsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Siebdruck.
Zum Aufdampfen im Vakuum wird der Halbleiterkörper im Zustand gemäß 3 in einer Vakuumkammer mit einer an sich bekannten Bedampfungsanlage platziert. Als vordere Metallschicht 32 wird ein Mehrschichtsystem aus Titan, Palladium und Silber gebildet. Die Gesamtdicke der Metallschicht 32 beträgt beispielsweise 5 μm. Die rückseitige Metallschicht 33 wird durch Aufdampfen von Aluminium mit einer Dicke von z. B. 5 μm gebildet.
Zur Metallisierung mittels Siebdrucktechnik wird eine Aluminiumpaste z. B. auf die Rückseite 63 aufgebracht und getrocknet. Auf die Vorderseite (Stirnflächen 25) wird eine silberhaltige Siebdruckpaste gedruckt und getrocknet. Anschließend erfolgt mindestens ein Einbrennschritt zum Einbrennen der Pasten für die Herstellung eines Ohm'schen Metall-Halbleiter-Kontakts (sogenanntes "Feuern"). Es können für jede Paste ein getrennter Einbrennschritt vorgesehen sein oder beide Seiten gleichzeitig gebrannt werden. Das Einbrennen erfolgt bei einer Temperatur von z. B. 75000.
Die beschriebene Prozessierung wird gleichartig an einer Vielzahl von Halbleiterkörpern durchgeführt, wobei an allen Halbleiterkörpern die gleiche Oberflächenstruktur 61 vorgesehen ist. Diese Anforderung ist erfüllt, wenn die zur Bildung von Solarzellenmodulen in der Oberflächenstruktur 61 vorgesehenen Halbleiterstreifen 65 und die grabenförmigen Vertiefungen 64 zusammenpassen und insbesondere die Kontaktbereiche von allen Halbleiterkörpern die gleiche Form, Größe und/oder Form- und Größenverteilung besitzen. Alternativ kann ein Halbleiterkörper mit ausreichend großer Fläche prozessiert und für die folgenden Schritte des Modulaufbaus in Teilkörper zerlegt werden.
Im weiteren Verfahren erfolgt die Bildung eines Stapels 70 der Halbleiterkörper 60, der ausschnittsweise in 4 gezeigt ist. Die Vorder- und Rückseiten 62, 63 benachbarter Halbleiterkörper werden jeweils über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht 30 miteinander fest verbunden. Der Stapel 70 wird so gebildet, dass die Halbleiterstreifen 65 (Solarzellen 20) und Gräben 64 jeweils übereinanderstehen oder entlang der Neigungsrichtung der Seitenflächen versetzt ausgerichtet sind. Dadurch wird ein p-Kontaktbereich 21 z. B. der Solarzelle 23 der je weils oberen Scheibe mit dem n-dotierten Kontaktbereich 22 (Emitter) der Solarzelle 24 der darunter liegenden Scheibe elektrisch verbunden. Vorteilhafterweise erhält man dadurch eine integrierte Reihenschaltung der Solarzellen 23, 24 in einer Aufreihung senkrecht zu den Scheibenebenen der Halbleiterkörper.
4 zeigt beispielhaft den Stapel 70 aus gleichartigen Halbleiterkörpern (gleiche Dicke, gleiche Oberflächenstruktur). In Abhängigkeit von den jeweiligen praktischen Anforderungen und der gewünschten Geometrie der Solarzellenmodule können alternativ Halbleiterkörper mit verschiedenen Dicken und/oder verschiedenen Oberflächenstrukturen zu einem Stapel verbunden werden. Es können insbesondere in benachbarten Halbleiterkörpern verschiedene Winkel α (siehe 2) vorgesehen sein.
Die elektrisch leitfähige Kontaktschicht 30 wird durch eine elektrisch leitfähige Klebstoffschicht 31 und die Metallschichten 32, 33 gebildet. Die Klebstoffschicht 31 besteht vorzugsweise aus einem handelsüblichen, metallhaltigen Epoxidharzkleber. Die Dicke der Klebstoffschicht 31 liegt im Bereich von 10 μm bis 500 μm. Die Verwendung eines Klebstoffs zur Herstellung der Kontaktschicht besitzt den Vorteil, dass die Halbleiterkörper 60 im Stapel 70 fest miteinander verbunden werden. Es wird ein kompaktes Werkstück geschaffen, das ohne eine Beschädigung des Stapelverbundes zur Abtrennung der Solarzellenmodule einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden kann.
Nach dem Aushärten des Klebstoffs werden die Solarzellenmodule 10, die schematisch vergrößert in 5 gezeigt sind (Teilansicht) vom Stapel 70 abgetrennt. Die Abtrennung erfolgt zum Beispiel durch Ausübung einer mechanischen Spannung. Die Böden der grabenförmigen Vertiefungen 64 bilden vorteilhafterweise Sollbruchstellen, an denen die Solarzellenmodule 10 scheiben weise vom Stapel 70 abtrennbar sind. Alternativ erfolgt ein Aussägen der Solarzellenmodule. Die Abtrennung ist ferner mit einer Trennung der Solarzellen vom äußeren, unstrukturierten Rahmen des Halbleiterkörpers 60 verbunden, der um die Oberflächenstruktur 61 gebildet ist (siehe 1).
Nach der Durchtrennung der Halbleiterkörper 60 liegen eine Vielzahl von Solarzellenmodulen 10 gemäß 5 vor, die jeweils eine Vielzahl von Solarzellen 20, 23, 24 umfassen. Die äußere Form der Solarzellenmodule 10 wird durch die Geometrie der Oberflächenstruktur 61 in den Halbleiterkörpern 60 bestimmt. Beim dargestellten Beispiel besitzen die Solarzellenmodule 10 wegen der Neigung der Seitenflächen 27, 28 (siehe 2) und wegen der abwechselnd entgegengesetzten Ausrichtung der Neigung im Stapel 70 (siehe 4) eine gewellte Oberfläche. Alternativ kann mit nicht-geneigten Seitenflächen 27, 28 oder mit einer gleichsinnigen Neigung der geneigten Seitenflächen 27, 28 im Stapel 70 eine ebene Oberfläche der Solarzellenmodule 10 bereitgestellt werden.
Jedes Solarzellenmodul umfasst je nach der gewünschten Anwendung eine Anzahl von Solarzellen, die beispielsweise im Bereich von 2 bis 50 oder darüber liegt. Die Dicke der Solarzellenmodule 10 hängt von der Breite der Halbleiterstreifen 65 und der gebildeten Welligkeit ab und liegt beispielsweise im Bereich von 20 μm bis 300 μm oder darüber.
Die Solarzellenmodule 10 können einer Nachbearbeitung unterzogen werden, die der Beseitigung von Schäden durch die mechanische Abtrennung und/oder der Aufbringung einer reflektionsmindernden Beschichtung 13 (ausschnittsweise im rechten Teil von 5 dargestellt) dient. Die reflektionsmindernde Schicht besteht beispielsweise aus SiN mit einer Dicke von rd. 70 nm.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Photovoltaikeinrichtung wird mindestens ein Solarzellenmodul 10 auf einem Träger angeordnet und an den jeweils letzten Solarzellen in der Reihenschaltung mit an sich bekannten Anschlussleitungen versehen. Der Träger ist allgemein ein stabiler Festkörper, der der mechanischen Stabilisierung des Solarzellenmoduls im Gebrauch dient. Der Träger kann insbesondere aus einem transparenten, starren oder flexiblen Material (z. B. Kunststoff, Glas) bestehen, da erfindungsgemäße Solarzellenmodule vorteilhafterweise bei beidseitiger Lichtabsorption entsprechend auf beiden Oberflächen Ladungsträger generieren können.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Verwendung einer Klebstoffschicht 31 (siehe 4) aus einem flexiblen Klebstoff auch die Solarzellenmodule 10 eine Biegsamkeit mindestens quer zur Längsausdehnung der Solarzellen 20 besitzen. Entsprechend können Solarzellenmodule 10 auf gekrümmten Trägeroberflächen oder auf flexiblen Träger (z. B. aus Kunststoff) angebracht werden. Durch die Flexibilität ergeben sich besondere Vorteile für die Gestaltung der äußeren Form der Photovoltaikeinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger ein Verbundmaterial, das schematisch in 6 illustriert ist. Das Verbundmaterial umfasst einen Träger 50, einen Reflektor 51, eine transparente Laminatschicht 40 und eine Deckschicht 41. Der Träger 50 besteht aus Glas oder Kunststoff mit einer Dicke von z. B. 2 mm. Der Reflektor 51 besteht beispielsweise aus Aluminium mit einer Dicke von mindestens 200 nm. Die Laminatschicht besteht aus einer üblicherweise verwendeten Laminiermasse wie z. B. aus EVA (Ethylenvinylacetat-Copolymer). Die optional vorgesehene Deckschicht 41 dient einer Verkapselung der Laminatschicht und einer Licht-Rückreflektion.
6 zeigt zwei wichtige Vorteile erfindungsgemäßer Solarzellenmodule 10. Erstens kann durch die Bildung der gewellten Oberfläche mit abwechselnd zueinander geneigten Seitenflächen der einzelnen Solarzellen die Sammeleffektivität durch Mehrfachreflektionen erhöht werden. Da die Solarzellen freitragende Bauteile bilden, können sie beim Laminiervorgang mit Abstand vom Träger 50 angeordnet werden, so dass die Mehrfachreflektionen beidseitig vorgesehen sein können. Erfindungsgemäße Photovoltaikeinrichtungen 100 zeichnen sich daher im Vergleich zu herkömmlichen Modulen (mit vergleichbarer Geometrie und Zusammensetzung) durch eine erhöhte Effektivität und Leistungsfähigkeit aus.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ohne besonderen technischen Aufwand integriert verschaltete Solarzellenmodule unterschiedlichster Größe hergestellt werden können. Da die Solarzellen typische Dimensionen im Mikrometerbereich besitzen können, ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung kleiner Solarzellenmodule mit einer hohen Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung eines Moduls mit einer Fläche von 8 cm² kann beispielsweise 12 V betragen. Durch die Flexibilität bei der Wahl der Modulgeometrie ist ferner eine hohe Flexibilität bei der Einstellung der Modulspannung gegeben. Die gewellte Moduloberfläche ermöglicht die Verminderung unerwünschter Reflektionen.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontaktschichten besteht darin, dass eine Abschattung der aktiven Zelloberfläche durch metallische Kontaktfinger vollständig vermieden werden. Des Weiteren sind die Solarzellenmodule beidseitig beleuchtbar. Der Wirkungsgrad kann insbesondere durch die Verwendung des Reflektors (siehe 6) erhöht werden.
Verfahrensbezogen besteht ein besonderer Vorteil in der Integration der Prozesse der Solarzellenherstellung einerseits und der Modulherstellung andererseits. Diese Prozesse sind mit den in der industriellen Solarzellenfertigung üblichen Verfahren kompatibel. Die Handhabung dünner Halbleiterfilamente, wie sie beispielsweise bei WO 02/45143 A1 erforderlich ist, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen. Es können eine Vielzahl von Solarzellenmodulen parallel, d. h. gleichzeitig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

Claims

Photovoltaikeinrichtung (100) mit mindestens einem Solarzellenmodul (10) aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen (20, 23, 24), die so angeordnet sind, dass jeweils ein p-dotierter und ein n-dotierter Kontaktbereich (21, 22) benachbarter Solarzellen (23, 24) einander gegenüberliegend ausgerichtet sind, wobei zwischen den p-dotierten und n-dotierten Kontaktbereichen (21, 22) der benachbarten Solarzellen (23, 24) eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (30) vorgesehen ist, über welche die Solarzellen fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils benachbarte Solarzellen (23, 24) verschieden ausgerichtete Seitenflächen (27, 28) besitzen, so dass das Solarzellenmodul (10) wenigstens eine strukturierte Oberfläche besitzt, und die Oberflächen der Seitenflächen (27, 28) entgegengesetzt zum Inneren der Solarzelle dotiert sind.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Solarzellen jeweils eine Streifenform mit einer Stirnfläche (25), einer Rückfläche (26) und den Seitenflächen (27, 28) besitzen und einerseits an den Stirn- und den Seitenflächen (25, 27, 28) und andererseits an den Rückflächen (26) verschieden p- oder n-dotiert sind, wobei die Kontaktschicht (30) jeweils zwischen den Stirn- und Rückflächen (25, 26) benachbarter Solarzellen (23, 24) vorgesehen ist.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Stirn- und Rückflächen (25, 26) parallel zueinander verlaufen und die Seitenflächen (27, 28) relativ zu den Stirn- und Rückflächen (25, 26) geneigt ausgerichtet sind.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 3, bei der das Solarzellenmodul (10) auf einer Seite eine ebene Oberfläche besitzt.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 4, bei der die Oberfläche des Solarzellenmoduls eine reflektionsmindernde Beschichtung (13) aufweist.
Photovoltaikeinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontaktschicht (30) eine elektrisch leitfähige Klebstoffschicht (31) aufweist.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 6, bei der zwischen der Klebstoffschicht (31) und den angrenzenden p-dotierten und n-dotierten Kontaktbereichen (21, 22) jeweils eine Metallschicht (32, 33) vorgesehen ist.
Photovoltaikeinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Solarzellenmodul (10) in einer Laminatschicht (40) auf einem Träger (50) angeordnet ist.
Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 8, bei der das Solarzellenmodul (10) in der Laminatschicht (40) mit Abstand vom Träger (50) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung mindestens eines Solarzellenmoduls (10) mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen (20, 23, 24), mit den Schritten: – Strukturierung von scheibenförmigen Halbleiterkörpern (60) mit Vorder- und Rückseiten (62, 63), wobei auf den Vordersei ten (62) Halbleiterstreifen (65) gebildet werden, die voneinander durch grabenförmige Vertiefungen (64) getrennt sind, – Dotierung der Oberfläche der Halbleiterstreifen (65) entgegengesetzt zur Dotierung des jeweiligen Halbleiterkörpers (60) zur Bildung von Solarzellen (20, 23, 24), – Bildung eines Stapels (70) der Halbleiterkörper (60), wobei die Vorder- und Rückseiten (62, 63) benachbarter Halbleiterkörper (60) jeweils über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (30) miteinander fest so verbunden werden, dass die Solarzellen (20, 23, 24) zueinander ausgerichtet angeordnet sind, und – Durchtrennung der Halbleiterkörper (60) entlang den grabenförmigen Vertiefungen (64), so dass das mindestens eine Solarzellenmodul (10) als Stapel von Solarzellen (20, 23, 24) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Strukturierung der Halbleiterkörper (60) durch nasschemisches Ätzen, eine mechanische Bearbeitung oder ein Plasma-Ätzverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die elektrisch leitfähige Kontaktschicht (30) zwischen den Halbleiterkörpern (60) durch eine Klebstoffschicht (31) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als leitfähiger Klebstoff ein elektrisch leitfähiger Epoxidharzkleber verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Klebstoffschicht (31) durch Siebdrucktechnik aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem zwischen der Kontaktschicht (30) und angrenzenden Kontaktbereichen (21, 22) der benachbarten Solarzellen (23, 24) jeweils eine Metallschicht (32, 33) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Metallschicht (32, 33) durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Metallschicht (32, 33) durch Siebdruck einer elektrisch leitfähigen Siebdruckpaste aufgebracht wird.