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EP2742533A2 - Solarmodul mit verringertem leistungsverlust und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Solarmodul mit verringertem leistungsverlust und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number
EP2742533A2
EP2742533A2 EP12750550.1A EP12750550A EP2742533A2 EP 2742533 A2 EP2742533 A2 EP 2742533A2 EP 12750550 A EP12750550 A EP 12750550A EP 2742533 A2 EP2742533 A2 EP 2742533A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
diffusion
electrode
solar module
barrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12750550.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnaud Verger
Fabien Lienhart
Paul Mogensen
Walter Stetter
Alejandro AVELLÁN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Priority to EP12750550.1A priority Critical patent/EP2742533A2/de
Publication of EP2742533A2 publication Critical patent/EP2742533A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention is in the technical field of photovoltaic power generation and relates to a solar module with a reduced power loss due to aging, a method for producing the same, as well as the use of a diffusion barrier in such a solar module.
  • Photovoltaic layer systems for the direct conversion of sunlight into electrical energy are well known. These are commonly referred to as “solar cells”.
  • the term “thin film solar cells” refers to layer systems with low thicknesses of only a few microns, the substrates for sufficient mechanical strength ⁇ specific need.
  • Known carrier substrates comprehensive sen inorganic glass, plastics (polymers) or Metal ⁇ le, particularly metal alloys, and may be designed as rigid plates, or flexible films, depending on the respective layer thickness and the specific material properties.
  • thin-film solar cells with a semiconductor layer of amorphous, micromorphous or polycrystalline silicon, cadmium telluride (CdTe), gallium arsenide (GaAs) or a chalcopyrite compound, in particular copper indium / gallium sulfur /Selenium
  • the layers for the production of thin film solar cells directly onto the carrier substrate will be ⁇ introduced, which in turn with a front side For t strength transparent cover layer through a bonding adhesive sheet to a bewitt fürsstabilen photovoltaic or solar module is connected. This process is called "lamination".
  • low-iron soda-lime glass is selected for the material of the cover layer.
  • the adhesion-promoting adhesive film consists for example of ethylene vinyl acetate (EVA), polyvinyl butyral (PVB), polyethylene ⁇ (PE), Polyethylenacrylcopolymer or polyacrylamide (PA).
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PVB adhesive films have been increasingly used in recent years.
  • the object of the present invention is to provide a solar module with a reduced, due to aging power loss available.
  • a solar module in particular thin film solar module ⁇ shown.
  • the solar module comprises a laminated composite of two interconnected by at least one (plastic ⁇ ) adhesive layer substrates between which are preferably in an integrated form serially interconnected solar cells, in particular thin-film solar cells.
  • the solar cells arranged between the two sub strates are produced by structuring a layer structure.
  • the solar cells each have a ⁇ absorber zone from a semiconducting ⁇ the material which is located between an arranged on a light entering side of the absorber zone front electrode and a back electrode.
  • the semiconductor material consists of a chalcopyrite compound, which is in particular an I-III-VI semiconductor from the group copper indium / gallium Dischwefel / diselenide
  • Cu (In, Ga) (S, Se) 2 for example copper indium diselenide (CuInSe 2 or CIS) or related compounds.
  • the semiconductor material is usually fortified with Dotierstof ⁇ fionen, such as sodium ions.
  • a backsidige carrier substrate by means of an adhesive layer, in ⁇ example PVB, with a permeable for electromagnetic radiation in the absorption region of the semiconductor (eg sunlight) as possible permeable front side cover layer, for example glass plate, which are arranged on the support substrate
  • Solar cells are embedded ⁇ in the adhesive layer.
  • a diffusion ⁇ barrier barrier layer
  • the adhesive layer which is to bebil ⁇ det, the diffusion of water molecules from the adhesive layer in the absorber zone and / or the diffusion of Th ⁇ animal matter ions from the absorber zone in the adhesive layer to inhibit.
  • the material of the diffusion barrier is different from the Materi ⁇ al the front electrode.
  • the diffusion barrier has such a suitable layer thickness that the diffusion of water molecules and / or dopant ions can be inhibited.
  • the layer thickness depends on the respective material of the diffusion barrier.
  • the Applicant has thus recognized for the first time that the power loss observed in solar modules with aging is due to a change in the electrical properties of the semiconductor material of the solar cells due to the diffusive transport of water molecules and / or dopant ions. Due to the diffusion barriers between the adhesive layer and the absorber zones, advantageously a diffusive transport of water molecules and / or dopant ions can be prevented, at least largely, in particular completely, so that the associated with an aging performance loss of So ⁇ larmodulen can be reliably and safely reduced.
  • the material of the diffusion barriers should be chosen such that it is permeable (transparent) to electromagnetic radiation in the absorption region of the semiconductor material of the solar cells (eg sunlight).
  • the term "transmissive” here refers to a transmission for the considered wavelength range, ie the absorption range of the semiconductor (at CIGS 380 nm to 130 nm), wel ⁇ che at least greater than 70%, preferably greater than 80% and particularly preferably greater than 90% is.
  • the material and the layer thickness of the diffusion barriers of the solar cells can be freely selected in the solar module according to the invention, as long as it is ensured that the diffusion of water molecules and / or dopant ions can be inhibited and in particular at least approximately completely prevented.
  • This may generally be an organic or inorganic material.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD Physical Vapor deposition
  • sputtering is possible.
  • organic materials typically a wet-chemical deposition ⁇ which is fraught difficult to integrate into the process flow for the production of solar modules and process engineering disadvantages.
  • the inorganic material of the diffusion barriers of the solar cells is at least one metal oxide.
  • the diffusion barriers each comprise an alternating sequence of at least one metal oxide layer and at least one metal nitride layer, for example an alternating sequence of at least one layer of tin-zinc oxide and at least one layer of silicon nitride.
  • the alternating sequence of the various materials which is always accompanied by a different grain growth, can be used to effectively prevent a diffusive transport of water molecules and dopant ions.
  • metal oxides and metal nitrides are characterized by a very good processability, which layers hie ⁇ out from the gas phase or be deposited by a sputtering process so that the production of the diffusion barrier ⁇ relatively simple and inexpensive integrated in the production of solar modules can be.
  • diffusion barriers have an excellent permeability to electromagnetic radiation (eg
  • the thickness of the diffusion barrier is to be Wegsichti ⁇ gen.
  • the layer thickness of a diffusion barrier of a metal oxide is more than 50 nm, in particular more than 100 nm.
  • the layer thickness of the diffusion ⁇ barrier in the range of more than 50 nm to 200 nm, in particular ⁇ sondere in the range above 100 nm to 200 nm.
  • Ver ⁇ seeking the Applicant with metal oxides can at least in some Materials with a further increase in the layer thickness beyond 100 nm practically no additional effect with respect to the effect as a barrier for the diffusive transport of water molecules and dopant ions can be achieved.
  • the layer thickness of the Diffu ⁇ sion barrier in the range of more than 50 nm to 100 nm, in particular in the range of more than 50 nm to below 100 nm, in particular in the range of 75 nm to 100 nm , in particular in the range of 75 nm to below 100 nm.
  • the diffusion barriers between the absorber zones and the adhesive layer.
  • the diffusion barriers are arranged for this purpose between the front electrodes and the absorber zones.
  • the diffusion barriers are arranged between the front electrodes and the adhesive layer.
  • the back electrodes are formed by forming first layer trenches in a back electrode layer, the absorber zones by forming second ones
  • Layer trenches for structuring the front electrodes is located, wherein the optically active regions of the solar module, ie the absorber zones are completely separated by the diffusion barriers of the adhesive layer.
  • no material of the diffusion barriers is located within the third layer trenches, ie the third layer trenches are free of the material of the diffusion barriers.
  • Such a solar module comprises a back ⁇ electrode layer with first layer trenches for forming the back electrodes, a semiconductor layer with second layer ⁇ trenches for forming the absorber zones, a front electrode layer with third layer trenches for forming the front electrodes, wherein the diffusion barriers of the solar cells outside the third layer trenches are located.
  • Layer trenches for forming the front electrodes can be deposited, for example, on the Fronelektroden slaughter.
  • it is possible to dispense with a further coating system for applying the barrier layer which involves a considerable cost saving in the production of the solar modules.
  • approved in the third layer trenches diffusive transport of water molecules and Do ⁇ animal hydrogen ions between the adhesive layer and the Absorberzo- NEN is negligible, so that virtually no increase occurs in the series resistance.
  • the invention further extends to a process for producing a solar module as described above, in particular thin-film solar module, comprising a step, can be arranged in which various of the front electrode Diffu ⁇ sion barrier between the absorbent zones and the adhesive layer.
  • a barrier layer for forming the diffusion barriers by chemical or physical vapor deposition or sputtering is produced, whereby a process technology simple and cost-effective integration of the production of diffusion barriers in the production of the solar module is made possible.
  • the diffusion barriers can each be produced as a single layer or by depositing a plurality of layers of at least two different materials.
  • the barrier layer for forming the diffusion barriers is produced by depositing at least one metal oxide layer.
  • the barrier layer is advantageously provides Herge ⁇ by Ab ⁇ excrete an alternating sequence of at least one metal oxide layer and at least a metal nitride layer.
  • the rear electrode by forming the first layer trenches in a back electrode layer, the absorber zones by from ⁇ second layer trenches formed in a semiconductor layer and the front electrode produced by forming the third layer trenches in a front electrode layer, wherein the serving for production of the diffusion barrier barrier layer on the For the preparation of the front electrodes serving front electrode layer is deposited.
  • the barrier layer it would also be possible for the barrier layer to be deposited on the front electrodes and the third layer trenches separating the front electrodes from one another.
  • the diffusion barriers located between the absorber zones of the solar cells and the adhesive layer can be separate layer sections, which can be formed, for example, by structuring the barrier layer are made. Equally, however, it is also possible that the diffusion barriers are layer sections of a continuous barrier layer.
  • the invention also extends to the use of a diffusion barrier as described above in a solar module as described above.
  • the solar module comprises a la ⁇ delaminated composite of two by at least one adhesive ⁇ layer substrates bonded together, between which are serially connected solar cell, each of which has an absorber region of a semiconducting material between a disposed on a light entering side of the absorber zone front electrode and a back electrode , wherein the diffusion barrier is different from the front electrode and is located between the absorber zone and the adhesive layer, wherein the diffusion barrier is adapted to the diffusion of water molecules from the adhesive layer into the absorber zone and / or the diffusion of dopant ions from the absorber zone into the To inhibit the adhesive layer.
  • the use according to the invention extends to all the above-described embodiments of the diffusion barrier as well as to all the above-described embodiments of the solar module, reference being made to avoid repetition to the relevant statements. Brief description of the drawings
  • FIG. 1 is a schematic illustration of an exemplary game at ⁇ thin film solar module.
  • FIGS. 2-3 are diagrams illustrating the effect of various diffusion barriers. Detailed description of the drawings
  • FIG. 1 a thin-film solar module, designated overall by the reference numeral 1, is diagrammatically illustrated.
  • the thin film solar module 1 comprises a multi ⁇ number of series-connected to each other in an integrated form thin film solar cells 2, wherein only two thin-film solar cells 2 are shown in Figure 1 for purposes of simplicity. It is understood that in larmodul Dünn Anlagenso- 1, a plurality (for example, about 100) ⁇ thin film solar cells are connected in series. 2
  • the thin film solar module 1 has a laminated glazing ⁇ structure, ie it has an electrically insulating rendes first (carrier) substrate 3 with a vapor it ⁇ applied layers structure 4 made of thin layers, which is disposed on a light-incident-side surface of the first substrate. 3
  • the layers 4 can ⁇ construction by vapor deposition, ie, chemical vapor deposition (CVD) or physical deposition (PVD) from the gas phase, or sputtering (magnefeidunterpractice Kathodenzerstäub- ung) are prepared.
  • the first substrate 3 is here at ⁇ example as rigid glass plate having a relatively clotting ⁇ gen light transmittance formed, alike other electrically insulating materials with the desired strength and inert behavior towards the fürge gleich- th process steps can be used.
  • each thin-film solar cell 2 has a surface on the light-entry side of the first substrate
  • a heterojunction ⁇ gear that is, a sequence of layers of the opposite conductivity type is formed.
  • the buffer zone 7 may cause electronic matching between the semiconductive material of the absorber zone 6 and the material of the front electrode 8.
  • a Dif ⁇ fusion barrier 9 is arranged on the front electrode 8, by which a diffusive transport of water molecules and dopant ions (eg, sodium ions) can be at least approximately completely, in particular completely, prevented.
  • the various layers of the layer structure 4 are patterned on the first substrate 3 using a suitable structuring technology such as laser writing and mechanical processing, for example lifting or scribing. What is important here is that the losses of the photoactive surface are as small as possible and that the structuring technology used is selective for the material to be removed.
  • a structuring typically comprises three structuring steps for each thin-film solar cell 2, which are abbreviated PI, P2, P3.
  • a back electrode layer 19 which consists of play of an opaque metal such as Mo ⁇ lybdenum (Mo) at ⁇ applied to the first substrate.
  • the back electrode layer 19 has a layer thickness which is, for example, in the range from 300 nm to 600 nm and in particular amounts to approximately 500 nm.
  • the back ⁇ electrode layer 19 is interrupted by generating first layer trenches 16, whereby the back electrodes 5 are formed.
  • the semiconductor layer 21 is made of with impurity ions (Me ⁇ tallionen) doped semiconductor whose bandgap is preferably able to absorb the greatest possible proportion of the sunlight.
  • the semiconductor layer 21 consists for example of a p-type chalcopyrite semiconductor, for example a compound of the group Cu (In, Ga) (S, Se) 2 , in particular sodium (Na) -doped
  • the semiconductor layer 21 has a
  • Layer thickness for example, in the range of 1-5 ym and is in particular about 2 ym.
  • Layer trenches 16 are filled during application of the semiconductor layer 21 by the semiconductor material. Then, a buffer layer 23 is deposited on the semiconductor layer 21.
  • the buffer layer 23 is here at ⁇ play, of a single layer of cadmium sulfide (CdS) and a single layer of intrinsic zinc oxide (i-ZnO), which is not shown in detail in FIG. 1
  • the two semiconducting layers namely the semiconductor layer 21 and the buffer layer 23, are interrupted by generating second layer trenches 17, whereby the semiconductor zones 6 and the buffer zones 7 are formed.
  • a front electrode layer 20 to the Puf ⁇ ferzonen 7 and the buffer regions 7 and the semiconductor zones 6 from each other, separating trenches second layer 17 is the istschie-.
  • the material of the front electrode layer 20 is 21 for example in the visible spectral region transparent to radiation in the absorption region of the semiconductor layer, so that the incident electromagnetic radiation 13 ge ⁇ is only weakens low.
  • the front electrode layer 20 is based, for example, on a doped metal oxide, for example n-type aluminum (Al) -doped zinc oxide (ZnO).
  • the layer thickness of the front electrode layer 20 of play is about 500 nm at ⁇ .
  • the second layer trenches 16 are filled when applying the front electrode layer 20 through the electrically conductive material of this layer.
  • a barrier layer 22 is deposited on the front electrode layer 20, for example by vapor deposition or sputtering.
  • the barrier layer 22 is preferably made of an inorganic material, in particular of at least one layer metal oxide, preferably an alternating sequence of metal oxide layers and Metallnit ⁇ rid layers, for example consisting of at least one tin-zinc oxide layer and at least one silicon nitride layer ,
  • the layer thickness of the barrier layer 22 is preferably above 50 nm and is, for example, in the range of more than 50 nm to 200 nm, in particular in the range of 75 nm to 100 nm, in particular in the range of 75 nm to below 100 nm.
  • the barrier layer 22 it would also be possible for the barrier layer 22 to be arranged between the front electrode layer 22 and the semiconductor layer 21.
  • P3 bar ⁇ centering layer 22 and the front electrode layer 20 is interrupted by generating third layer trenches 18, whereby the front electrode 8 and the diffusion barriers 9 are formed.
  • the third layer trenches 18 reach down to the first substrate 3.
  • RTP Rapid Thermal Processing
  • both the resulting positive voltage connection (+) and the re ⁇ sulting negative voltage connection (-) of the thin ⁇ layer solar module 1 are guided over the back electrodes 5 and contacted there electrically.
  • an electrical voltage is generated at the two voltage terminals.
  • a resulting current path 14 is illustrated by arrows in FIG.
  • the first substrate 3 with the applied thin-film solar cells 2 is adhesively bonded to a second substrate 11 to form a weather-resistant composite.
  • a (plastic) adhesive layer 10 which serves to encapsulate the layer structure 4 is applied to the front electrodes 8 and the third layer trenches 18 separating the front electrodes 8.
  • the third layer trenches 18 are filled in the application of the adhesive layer 10 by the insulating material of this layer.
  • the second substrate 11 is transparent as a front-side covering layer for the radiation 13 and, for example, in the form of a glass plate made of extra-white glass with a low iron content, whereby equally other electrically insulating materials with desired strength and inert behavior can be used in comparison with the process steps carried out.
  • the second substrate 11 serves for sealing and mechanical protection of the layer structure 4.
  • the thin-layer solar module 1 can be illuminated via a front-side module surface 15 in order to generate electrical energy.
  • the two substrates 3, 11 are connected by the adhesive layer 10 fixed with each other ( “laminated") / the adhesive ⁇ layer 10 is formed here, for example, as a thermoplastic adhesive ⁇ layer which is plastically deformable by heating and on cooling the two substrates 3 and 11 firmly connects.
  • the adhesive layer 10 here consists, for example, of PVB.
  • the two substrates 3, 11 with the thin-film solar cells 2 embedded in the adhesive layer 10 jointly form a laminated composite 12.
  • adhesive layer 10 of water is present with a weight fraction digit Pro ⁇ mille area. Due to the diffusion barriers 9, a diffusive transport of water molecules from the adhesive layer 10 into the absorber zones 6 can be at least largely prevented.
  • the absorber zones 6 consist of a p-type chalcopyrite semiconductor, in this case, for example, sodium (Na) -doped Cu (In, Ga) (S, Se) 2 .
  • the thin-film solar module 1 was subjected to accelerated aging by heating in a dry environment to about 85 ° C.
  • Measurement curve (1) a diffusion barrier of SnZnO with a layer thickness of 50 nm (50SnZnO)
  • Measurement curve (2) a diffusion barrier of SiN with a layer thickness of 50 nm (50SiN)
  • Measurement curve (3) a diffusion barrier of SiN with a layer thickness of 100 nm (10 OOSiN)
  • Measurement curve (4) a diffusion barrier of an SnZnO layer with a layer thickness of 50 nm and a SiN layer with a layer thickness of 50 nm (50 + 50)
  • Measurement curve (5) a diffusion barrier of SnZnO with a layer thickness of 200 nm (200SnZnO)
  • Measurement curve (6) a diffusion barrier of SnZnO with a layer thickness of 100 nm (100SnZnO)
  • Measurement curve (7) a diffusion barrier of four layers, SnZnO layers and SiN layers being arranged in alternating sequence and the layers each having a layer thickness of 25 nm (4 * 25)
  • the measuring points of the measuring curves (1) to (3) are relatively close together and at least do not differ significantly from the measuring points of the reference measuring curve (0). It follows that 50 nm thick diffusion barriers SnZnO essentially have no effect with respect to reducing the increase of the series resistance of the thin film solar module ⁇ . 1 The same applies to 50 nm thick diffusion barriers made of SiN and for 100 nm thick diffusion barriers made of SiN.
  • the series resistance only increases to about 2 to 2.5 times its initial value when starting the thin-film solar module 1, so that an approximately 50% reduction in the increase in series resistance can be achieved by such diffusion barriers.
  • the reason for this is assumed to be an inhibition of the diffusive transport of water molecules and sodium ions through the diffusion barriers of the solar cells.
  • Layer thickness of 100 nm and 200 nm a good diffusion-inhibiting effect can be achieved, with respect to a layer thickness of 100 nm or 200 nm, virtually no difference is more recognizable. A correspondingly good effect is also evident for those diffusion barriers in which SnZnO and SiN are contained in combination, with a Total layer thickness of 100 nm of the diffusion barriers a 50 nm thick SnZnO layer or two 25 nm thick SnZnO layers are sufficient to achieve a good diffusion-inhibiting effect.
  • a particularly good diffusion-inhibiting effect can be achieved.
  • the present invention provides a solar module, in particular thin-film solar module, and a method for the production thereof, in which a reduction of the aging-related power loss can be achieved by diffusion barriers for water molecules and dopant ions between the absorber zones of the solar cells and the adhesive layer.
  • the production of the diffusion barriers can be integrated into the industrial mass production of solar modules in a simple and cost-effective manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einem laminierten Verbund aus zwei durch wenigstens eine Klebschicht miteinander verbundenen Substraten, zwischen denen sich seriell verschaltete Solarzellen befinden, die jeweils über eine Absorberzone aus einem halbleitenden Material zwischen einer auf einer Lichteintrittseite der Absorberzone angeordneten Frontelektrode und einer Rückelektrode verfügen, wobei sich zwischen einer jeden Absorberzone und der Klebschicht eine von der Frontelektrode verschiedene Diffusionsbarriere befindet, welche dazu ausgebildet ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht (10) in die Absorberzone und/oder die Diffusion von Dotierstoffionen aus der Absorberzone in die Klebschicht zu hemmen. Des Weiteren erstreckt sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Solarmoduls.

Description

Solarmodul mit verringertem Leistungsverlust und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der pho- tovoltaischen Energieerzeugung und betrifft ein Solarmodul mit einem verringerten Leistungsverlust durch Alterung, ein Verfahren zur Herstellung desselben, sowie die Verwendung einer Diffusionsbarriere in einem sol¬ chen Solarmodul.
Photovoltaische Schichtensysteme zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie sind hinlänglich bekannt. Diese werden gemeinhin als "Solarzellen" bezeichnet. Der Begriff "Dünnschichtsolarzellen" bezieht sich auf Schichtensysteme mit geringen Dicken von nur wenigen Mikrometern, die Trägersubstrate für eine ausreichende mechani¬ sche Festigkeit benötigen. Bekannte Trägersubstrate umfas- sen anorganisches Glas, Kunststoffe (Polymere) oder Metal¬ le, insbesondere Metalllegierungen, und können in Abhängigkeit von der jeweiligen Schichtdicke und den spezifischen Materialeigenschaften als starre Platten oder biegsame Folien ausgestaltet sein.
Hinsichtlich der technologischen Handhabbarkeit und des Wirkungsgrads haben sich Dünnschichtsolarzellen mit einer Halbleiterschicht aus amorphem, mikromorphem oder polykristallinem Silizium, Cadmium-Tellurid (CdTe) , Galli- um-Arsenid (GaAs) oder einer Chalkopyrit-Verbindung, insbesondere Kupfer- Indium/Gallium-Schwefel/Selen
(Cu(In,Ga) (S,Se)2), als vorteilhaft erwiesen, wobei sich insbesondere Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2 bzw. CIS) aufgrund seines an das Spektrum des Sonnenlichts ange- passten Bandabstands durch einen besonders hohen Ab¬ sorptionskoeffizienten auszeichnet. Um eine technisch brauchbare Ausgangs Spannung zu erhalten, werden viele Solarzellen seriell miteinander verschaltet, wobei Dünnschicht solarmodule den Vorteil ei¬ ner großflächigen Anordnung von (monolithisch) inte- griert verschalteten Dünnschichtsolarzellen bieten. In der Patentliteratur wurde die Serienverschal tung von Dünnschichtsolarzellen bereits mehrfach beschrieben. Lediglich beispielhaft sei auf die Patentschrift
DE4324318 Cl verwiesen.
In der Regel werden die Schichten zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen direkt auf das Trägersubstrat aufge¬ bracht, welches seinerseits mit einer vordersei t igen transparenten Deckschicht durch eine haftvermittelnde Klebefolie zu einem bewitterungsstabilen Photovoltaik- bzw. Solarmodul verbunden wird. Dieser Vorgang wird als "Laminierung" bezeichnet. Für das Material der Deckschicht wird beispielsweise eisenarmes Natron-Kalk-Glas gewählt. Die haftvermittelnde Klebefolie besteht beispielsweise aus Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB) , Polyethy¬ len (PE) , Polyethylenacrylcopolymer oder Polyacrylamid (PA) . Bei Dünnschichtsolarmodulen mit Verbundscheibenstruktur wurden in den letzten Jahren zunehmend PVB-Klebefolien eingesetzt .
Nun kann man bei laminierten Dünnschicht solarmodulen eine durch Alterung bedingte, kontinuierliche Zunahme des Serienwiderstands beobachten, der nach Standzeiten von mehreren Tausend Betriebsstunden allmählich in ei- nen zumindest annähernd konstanten Wert übergeht. Diese Zunahme des Serienwiderstands führt zu einer uner¬ wünschten Verschlechterung des Wirkungsgrads des Solarmoduls . Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Solarmodul mit einem verringerten, durch Alterung bedingten Leistungsverlust zur Verfügung zu stellen. Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Solarmodul, ein Verfahren zur Herstellung desselben, sowie die Verwendung einer Diffusionsbarriere in einem solchen Solarmodul mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Solarmodul, insbesondere Dünn¬ schichtsolarmodul, gezeigt. Das Solarmodul umfasst einen laminierten Verbund aus zwei durch zumindest eine (Kunst¬ stoff-) Klebschicht miteinander verbundenen Substraten zwischen denen sich vorzugsweise in integrierter Form seriell miteinander verschaltete Solarzellen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, befinden. Die zwischen den beiden Sub- Straten angeordneten Solarzellen sind durch Strukturieren eines Schichtenaufbaus hergestellt. So verfügen die Solar¬ zellen jeweils über eine Absorberzone aus einem halbleiten¬ den Material, welche sich zwischen einer auf einer Lichteintrittseite der Absorberzone angeordneten Frontelektrode und einer Rückelektrode befindet. Vorzugsweise besteht das Halbleitermaterial aus einer Chalkopyritverbindung, bei der es sich insbesondere um einen I-III-VI-Halbleiter aus der Gruppe Kupfer- Indium/Gallium-Dischwefel /Diselenid
(Cu(In,Ga) (S,Se)2), beispielsweise Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2 bzw. CIS) oder verwandte Verbindungen, handeln kann. Das Halbleitermaterial ist gewöhnlich mit Dotierstof¬ fionen, beispielsweise Natriumionen, dotiert.
Vorzugsweise ist im erfindungsgemäßen Solarmodul ein rück- seifiges Trägersubstrat mittels einer Klebschicht, bei¬ spielsweise PVB, mit einer für elektromagnetische Strahlung im Absorptionsbereich des Halbleiters (z.B. Sonnenlicht) möglichst durchlässigen vorderseitigen Deckschicht, beispielsweise Glasplatte, verklebt, wobei die auf dem Träger- Substrat angeordneten Solarzellen in die Klebschicht einge¬ bettet sind. Wesentlich hierbei ist, dass sich zwischen der Absorberzone einer jeden Solarzelle und der Klebschicht eine Diffusions¬ barriere (Barrierenschicht) befindet, welche dazu ausgebil¬ det ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Kleb- schicht in die Absorberzone und/oder die Diffusion von Do¬ tierstoffionen aus der Absorberzone in die Klebschicht zu hemmen. Das Material der Diffusionsbarriere ist vom Materi¬ al der Frontelektrode verschieden. Die Diffusionsbarriere hat zu diesem Zweck eine solche bzw. geeignete Schichtdi- cke, dass die Diffusion von Wassermolekülen und/oder Dotierstoffionen gehemmt werden kann. Die Schichtdicke hängt vom jeweiligen Material der Diffusionsbarriere ab.
Ohne auf eine Theorie eingeschränkt zu sein, wird angenom- men, dass eine wesentliche Ursache für den eingangs be¬ schriebenen Anstieg des Serienwiderstands der verschalteten Solarzellen eine Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht in das Halbleitermaterial der Solarzellen und/oder eine Diffusion von Dotierstoffionen aus der Absor- berzone in die Klebschicht ist. Der diffusive Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen führt zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials, da einerseits Dotierstoffionen aus dem Halbleitermate¬ rial wandern und andererseits Wassermoleküle an die Dotier- stoffionen im Halbleitermaterial binden. Beispielsweise verfügt PVB über einen Wasseranteil im einstelligen Promillebereich, welcher jedoch als ausreichend angesehen wird, um einen unerwünschten Effekt im Hinblick auf den Leistungsverlust zu haben. Die Anmelderin hat somit erstmals erkannt, dass der in Solarmodulen mit der Alterung beobachtete Leistungsverlust auf einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials der Solarzellen durch den diffusiven Transport von Wassermolekülen und/oder Dotierstoffionen beruht. Durch die Diffusionsbarrieren zwi- sehen der Klebstoffschicht und den Absorberzonen kann in vorteilhafter Weise ein diffusiver Transport von Wassermolekülen und/oder Dotierstoffionen zumindest weitgehend, insbesondere vollständig, unterbunden werden, so dass der mit einer Alterung einher gehende Leistungsverlust von So¬ larmodulen zuverlässig und sicher vermindert werden kann.
Um die Leistung des Solarmoduls durch die Diffusionsbarrie- ren der Solarzellen zumindest nicht wesentlich zu beeinträchtigen, ist das Material der Diffusionsbarrieren so zu wählen, dass es für elektromagnetische Strahlung im Absorptionsbereich des Halbleitermaterials der Solarzellen (z.B. Sonnenlicht) durchlässig (transparent) ist. Der Begriff "durchlässig" bezieht sich hier auf eine Transmission für den betrachteten Wellenlängenbereich, d.h. dem Absorptionsbereich des Halbleiters (bei CIGS 380 nm bis 130 nm) , wel¬ che zumindest größer als 70%, vorzugsweise größer als 80% und insbesondere bevorzugt größer als 90% ist.
In dem erfindungsgemäßen Solarmodul kann das Material und die Schichtdicke der Diffusionsbarrieren der Solarzellen grundsätzlich frei gewählt werden, solange gewährleistet ist, dass die Diffusion von Wassermolekülen und/oder Do- tierstoffionen gehemmt und insbesondere zumindest annähernd vollständig unterbunden werden kann. Dabei kann es sich allgemein um ein organisches oder anorganisches Material handeln. Vorzugsweise handelt es bei dem Material der Dif¬ fusionsbarrieren um ein anorganisches Material, was den prozesstechnischen Vorteil einer guten Verarbeitbarkeit mit sich bringt, da eine Abscheidung aus der Gasphase durch an sich bekannte Verfahren wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition) oder physikalische Gas¬ phasenabscheidung (PVD = Physical Vapor Deposition) oder Sputterprozesse möglich ist. Im Unterschied hierzu erfor¬ dern organische Materialien typischer Weise eine nass¬ chemische Abscheidung, welche schwieriger in den Prozessablauf zur Herstellung von Solarmodulen integrierbar und mit verfahrenstechnischen Nachteilen behaftet ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem anorganischen Material der Diffusionsbarrieren der Solarzellen um wenigstens ein Metalloxid. Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, kann durch Metalloxide ein diffusiver Transport von Wassermole¬ külen und Dotierstoffionen besonders effektiv unterbunden werden . Vorteilhaft umfassen die Diffusionsbarrieren jeweils eine alternierende Abfolge wenigstens einer Metalloxid-Lage und wenigstens einer Metallnitrid-Lage, beispielsweise eine alternierende Abfolge wenigstens einer Lage aus Zinn-Zink- Oxid und wenigstens einer Lage aus Siliziumnitrid. Wie Ver- suche der Anmelderin gezeigt haben, kann durch die alternierende Abfolge der verschiedenen Materialien, welche stets auch mit einem unterschiedlichen Kornwachstum einhergeht, ein diffusiver Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen besonders effektiv unterbunden werden. Ande- rerseits zeichnen sich Metalloxide und Metallnitride durch eine sehr gute Verarbeitbarkeit aus, wobei Schichten hie¬ raus aus der Gasphase oder durch einen Sputterprozess abscheidbar sind, so dass die Herstellung der Diffusions¬ barrieren relativ einfach und kostengünstig in die Herstel- lung von Solarmodulen integriert werden kann. Zudem verfügen solche Diffusionsbarrieren über eine hervorragende Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung (z.B.
Licht) im Absorptionsbereich erfindungsgemäßen bevorzugter Halbleitermaterialien, welche beispielsweise auf einer Chalkopyritverbindung basieren.
Für die Eigenschaft als Barriere zum Hemmen bzw. Unterbin¬ den des diffusiven Transports von Wassermolekülen und Dotierstoffionen ist in Abhängigkeit des gewählten Materials die Schichtdicke der Diffusionsbarrieren zu berücksichti¬ gen. Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, kann bei Einsatz eines Metalloxids als Material für die Diffusions¬ barrieren bei Schichtdicken bis zu ca. 50 nm praktisch keine diffusionshemmende Wirkung festgestellt werden. Vorzugs- weise beträgt die Schichtdicke einer Diffusionsbarriere aus einem Metalloxid mehr als 50 nm, insbesondere mehr als 100 nm. Da die Durchlässigkeit der Diffusionsbarrieren für elektro¬ magnetische Strahlung mit zunehmender Schichtdicke zunimmt, ist andererseits eine möglichst geringe Schichtdicke bei gleichwohl guter Wirkung als Barriere für den diffusiven Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen vorteilhaft. Vorzugsweise liegt die Schichtdicke der Diffusions¬ barriere im Bereich von mehr als 50 nm bis 200 nm, insbe¬ sondere im Bereich oberhalb von 100 nm bis 200 nm. Wie Ver¬ suche der Anmelderin mit Metalloxiden in überraschender Weise gezeigt haben, kann zumindest bei einigen Materialien mit einer weiteren Zunahme der Schichtdicke jenseits von 100 nm praktisch kein zusätzlicher Effekt hinsichtlich der Wirkung als Barriere für den diffusiven Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen erzielt werden. Von Vor- teil kann es deshalb sein, wenn die Schichtdicke der Diffu¬ sionsbarriere im Bereich von mehr als 50 nm bis 100 nm, insbesondere im Bereich von mehr als 50 nm bis unterhalb von 100 nm, insbesondere im Bereich von 75 nm bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 75 nm bis unterhalb von 100 nm liegt.
Im erfindungsgemäßen Solarmodul befinden sich die die Diffusionsbarrieren zwischen den Absorberzonen und der Klebschicht. Beispielsweise sind die Diffusionsbarrieren zu diesem Zweck zwischen den Frontelektroden und den Absorberzonen angeordnet. Bei einer im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften im Übergangsbereich Frontelektrode/Absorberzone der Solarzellen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Diffusionsbarrieren zwischen den Frontelektroden und der Klebschicht angeordnet.
Bei einer typischen Herstellungsweise von Solarzellen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, sind die Rückelektroden durch Ausbilden erster Schichtgräben in einer Rückelektro- denschicht, die Absorberzonen durch Ausbilden zweiter
Schichtgräben in einer Halbleiterschicht und die Front¬ elektroden durch Ausbilden dritter Schichtgräben in einer Frontelektrodenschicht hergestellt. Dabei ist es grundsätz- lieh möglich, dass sich das Material der Diffusionsbarrie¬ ren innerhalb der als letztes ausgebildeten dritten
Schichtgräben zur Strukturierung der Frontelektroden befindet, wobei die optisch aktiven Bereiche des Solarmoduls, d.h. die Absorberzonen, durch die Diffusionsbarrieren vollständig von der Klebschicht getrennt sind. Bei einer alter¬ nativen Ausgestaltung befindet sich innerhalb der dritten Schichtgräben kein Material der Diffusionsbarrieren, d.h. die dritten Schichtgräben sind frei vom Material der Diffu- sionsbarrieren . Ein solches Solarmodul umfasst eine Rück¬ elektrodenschicht mit ersten Schichtgräben zum Formen der Rückelektroden, eine Halbleiterschicht mit zweiten Schicht¬ gräben zum Formen der Absorberzonen, eine Frontelektrodenschicht mit dritten Schichtgräben zum Formen der Front- elektroden, wobei sich die Diffusionsbarrieren der Solarzellen außerhalb der dritten Schichtgräben befinden.
Diese Maßnahme bringt den prozesstechnischen Vorteil mit sich, dass eine Barrierenschicht zur Herstellung der Diffu- sionsbarrieren noch vor dem Einarbeiten der dritten
Schichtgräben zur Formung der Frontelektroden beispielsweise auf die Fronelektrodenschicht abgeschieden werden kann. Somit kann auf eine weitere Beschichtungsanlage zum Auf¬ bringen der Barrierenschicht verzichtet werden, was mit einer erheblichen Kosteneinsparung bei der Herstellung der Solarmodule einhergeht. Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, ist der im Bereich der dritten Schichtgräben zugelassene diffusive Transport von Wassermolekülen und Do¬ tierstoffionen zwischen der Klebschicht und den Absorberzo- nen vernachlässigbar gering, so dass praktisch keine Vergrößerung des Serienwiderstands auftritt.
Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines wie oben beschriebenen Solarmoduls, insbesondere Dünnschichtsolarmoduls, welches ein Schritt umfasst, bei dem von der Frontelektrode verschiedene Diffu¬ sionsbarrieren zwischen den Absorberzonen und der Klebschicht angeordnet werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Barrierenschicht zur Bildung der Diffusionsbarrieren durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung oder Sputtern hergestellt, wodurch eine prozesstechnisch einfache und kostengünstige Integration der Herstellung der Diffusionsbarrieren in die Herstellung des Solarmoduls ermöglicht ist. Grundsätzlich können die Diffusionsbarrieren jeweils als Einzel-Lage oder durch Abscheiden einer Mehrzahl Lagen aus zumindest zwei verschiedenen Materialien hergestellt werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Barrierenschicht zur Bildung der Diffusionsbarrie- ren durch Abscheiden wenigstens einer Metalloxid-Lage hergestellt. Vorteilhaft wird die Barrierenschicht durch Ab¬ scheiden einer alternierenden Abfolge wenigstens einer Metalloxid-Lage und wenigstens einer Metallnitrid-Lage herge¬ stellt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Rückelektroden durch Ausbilden erster Schichtgräben in einer Rückelektrodenschicht, die Absorberzonen durch Aus¬ bilden zweiter Schichtgräben in einer Halbleiterschicht und die Frontelektroden durch Ausbilden dritter Schichtgräben in einer Frontelektrodenschicht hergestellt, wobei die zur Herstellung der Diffusionsbarrieren dienende Barrierenschicht auf die zur Herstellung der Frontelektroden dienende Frontelektrodenschicht abgeschieden wird. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Barrierenschicht auf die Frontelektroden und die die Frontelektroden voneinander trennenden dritten Schichtgräben abgeschieden wird.
Lediglich ergänzend sei angemerkt, dass im Sinne vorliegen- der Erfindung die zwischen den Absorberzonen der Solarzellen und der Klebschicht befindlichen Diffusionsbarrieren voneinander getrennte Schichtabschnitte sein können, welche beispielsweise durch Strukturieren der Barrierenschicht hergestellt sind. Gleichermaßen ist es aber auch möglich, dass die Diffusionsbarrieren Schichtabschnitte einer zusammenhängenden Barrierenschicht sind. Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung einer wie oben beschriebenen Diffusionsbarriere in einem wie oben beschriebenen Solarmodul. Das Solarmodul umfasst einen la¬ minierten Verbund aus zwei durch wenigstens eine Kleb¬ schicht miteinander verbundenen Substraten, zwischen denen sich seriell verschaltete Solarzellen befinden, die jeweils über eine Absorberzone aus einem halbleitenden Material zwischen einer auf einer Lichteintrittsseite der Absorberzone angeordneten Frontelektrode und einer Rückelektrode verfügen, wobei die Diffusionsbarriere von der Frontelekt- rode verschieden ist und sich zwischen der Absorberzone und der Klebschicht befindet, wobei die Diffusionsbarriere dazu ausgebildet ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht in die Absorberzone und/oder die Diffusion von Dotierstoffionen aus der Absorberzone in die Klebschicht zu hemmen. Die erfindungsgemäße Verwendung erstreckt sich auf alle oben beschriebenen Ausgestaltungen der Diffusionsbarriere sowie auf alle oben beschriebenen Ausgestaltungen des Solarmoduls, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezüglichen Ausführungen Bezug genommen wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Figuren genommen wird. Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstäbli- eher Darstellung:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bei¬ spielhaften Dünnschichtsolarmoduls ; Fig. 2-3 Diagramme zur Veranschaulichung der Wirkung verschiedener Diffusionsbarrieren. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnetes Dünnschichtsolarmodul in schematischer Weise veran- schaulicht. Das Dünnschichtsolarmodul 1 umfasst eine Mehr¬ zahl in integrierter Form seriell miteinander verschalteter Dünnschichtsolarzellen 2, wobei in Figur 1 zum Zwecke einer einfacheren Darstellung nur zwei Dünnschichtsolarzellen 2 dargestellt sind. Es versteht sich, dass im Dünnschichtso- larmodul 1 eine Vielzahl (beispielsweise ca. 100) Dünn¬ schichtsolarzellen 2 seriell verschaltet sind.
Das Dünnschichtsolarmodul 1 weist eine Verbundscheiben¬ struktur auf, d.h. es verfügt über ein elektrisch isolie- rendes erstes (Träger-) Substrat 3 mit einem darauf aufge¬ brachten Schichtenaufbau 4 aus dünnen Schichten, welcher auf einer lichteintrittseitigen Oberfläche des ersten Substrats 3 angeordnet ist. Die auf die Dünnschichtsolarzellen
2 zum Zwecke einer photovoltaischen Stromerzeugung einfal- lende elektromagnetische Strahlung 13, beispielsweise Son¬ nenlicht, ist durch Pfeile veranschaulicht. Der Schichten¬ aufbau 4 kann durch Aufdampfen, d.h. chemisches Abscheiden (CVD) oder physikalisches Abscheiden (PVD) aus der Gasphase, oder Sputtern (magnefeidunterstützte Kathodenzerstäub- ung) hergestellt werden. Das erste Substrat 3 ist hier bei¬ spielsweise als starre Glasplatte mit einer relativ gerin¬ gen Lichtdurchlässigkeit ausgebildet, wobei gleichermaßen andere elektrisch isolierende Materialien mit gewünschter Festigkeit und inertem Verhalten gegenüber den durchgeführ- ten Prozessschritten eingesetzt werden können.
Dabei verfügt jede Dünnschichtsolarzelle 2 über eine auf der lichteintrittsseitigen Oberfläche des ersten Substrats
3 angeordnete Rückelektrode 5, eine auf der Rückelektrode 5 angeordnete, photovoltaisch aktive Halbleiter- bzw. Absorberzone 6, eine auf der Halbleiterzone 6 angeordnete Puf¬ ferzone 7, sowie eine auf der Pufferzone 7 angeordnete Frontelektrode 8. Durch die Frontelektrode 8 wird gemeinsam mit der Pufferzone 7 und der Absorberzone 6 ein HeteroÜber¬ gang, d.h. eine Abfolge von Schichten vom entgegen gesetzten Leitungstyp, gebildet. Die Pufferzone 7 kann eine elektronische Anpassung zwischen dem halbleitenden Material der Absorberzone 6 und dem Material der Frontelektrode 8 bewirken. Weiterhin ist auf der Frontelektrode 8 eine Dif¬ fusionsbarriere 9 angeordnet, durch die ein diffusiver Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen (z.B. Natriumionen) zumindest annähernd vollständig, insbesondere vollständig, unterbunden werden kann.
Um die in integrierter Form seriell miteinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen 2 auszubilden, werden die ver- schiedenen Schichten des Schichtenaufbaus 4 auf dem ersten Substrat 3 unter Einsatz einer geeigneten Strukturierungs- technologie wie Laserschreiben und mechanische Bearbeitung, beispielsweise Abheben oder Ritzen, strukturiert. Wichtig hierbei ist, dass die Verluste an photoaktiver Fläche mög- liehst gering sind und dass die eingesetzte Strukturie- rungstechnologie selektiv für das zu entfernende Material ist. Eine solche Strukturierung umfasst für jede Dünn¬ schichtsolarzelle 2 typischer Weise drei Strukturierungs- schritte, die mit PI, P2, P3 abgekürzt werden.
Dabei wird zunächst eine Rückelektrodenschicht 19, die bei¬ spielsweise aus einem lichtundurchlässigen Metall wie Mo¬ lybdän (Mo) besteht, auf das erste Substrat 3 aufgebracht. Die Rückelektrodenschicht 19 hat eine Schichtdicke, die beispielsweise im Bereich von 300 nm bis 600 nm liegt und insbesondere ca. 500 nm beträgt.
In einem ersten Strukturierungsschritt PI wird die Rück¬ elektrodenschicht 19 durch Erzeugen erster Schichtgräben 16 unterbrochen, wodurch die Rückelektroden 5 gebildet werden.
Anschließend wird eine Halbleiterschicht 21 auf den Rück¬ elektroden 5 und den die Rückelektroden 5 voneinander tren- nenden ersten Schichtgräben 16 abgeschieden. Die Halbleiterschicht 21 besteht aus einem mit Dotierstoffionen (Me¬ tallionen) dotierten Halbleiter, dessen Bandabstand vorzugsweise in der Lage ist, einen möglichst großen Anteil des Sonnenlichts zu absorbieren. Die Halbleiterschicht 21 besteht beispielsweise aus einem p-leitenden Chalkopyrit- halbleiter, beispielsweise einer Verbindung der Gruppe Cu(In,Ga) (S,Se)2, insbesondere Natrium (Na) -dotiertes
Cu(In,Ga) (S,Se)2. Die Halbleiterschicht 21 hat eine
Schichtdicke, die beispielsweise im Bereich von 1-5 ym liegt und insbesondere ca. 2 ym beträgt. Die ersten
Schichtgräben 16 werden beim Aufbringen der Halbleiterschicht 21 durch das Halbleitermaterial verfüllt. Dann wird eine Pufferschicht 23 auf der Halbleiterschicht 21 abgeschieden. Die Pufferschicht 23 besteht hier bei¬ spielsweise aus einer Einzellage Cadmiumsulfid (CdS) und einer Einzellage aus intrinsischem Zinkoxid (i-ZnO) , was in Figur 1 nicht näher dargestellt ist.
Anschließend werden in einem zweiten Strukturierungsschritt P2 die beiden halbleitenden Schichten, nämlich die Halbleiterschicht 21 und die Pufferschicht 23, durch Erzeugen zweiter Schichtgräben 17 unterbrochen, wodurch die Halblei- terzonen 6 und die Pufferzonen 7 gebildet werden.
Daraufhin wird eine Frontelektrodenschicht 20 auf die Puf¬ ferzonen 7 und die die Pufferzonen 7 und Halbleiterzonen 6 voneinander trennenden zweiten Schichtgräben 17 abgeschie- den. Das Material der Frontelektrodenschicht 20 ist für Strahlung im Absorptionsbereich der Halbleiterschicht 21 z.B. im sichtbaren Spektralbereich transparent, so dass die einfallende elektromagnetische Strahlung 13 nur gering ge¬ schwächt wird. Die Frontelektrodenschicht 20 basiert bei- spielsweise auf einem dotierten Metalloxid, beispielsweise n-leitendes Aluminium (AI ) -dotiertes Zinkoxid (ZnO) . Eine solche Frontelektrodenschicht 20 wird allgemein als TCO- Schicht (TCO = Transparent Conductive Oxide) bezeichnet. Die Schichtdicke der Frontelektrodenschicht 20 beträgt bei¬ spielsweise ca. 500 nm. Die zweiten Schichtgräben 16 werden beim Aufbringen der Frontelektrodenschicht 20 durch das elektrisch leitende Material dieser Schicht verfüllt.
Anschließend wird eine Barrierenschicht 22 beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern auf die Frontelektrodenschicht 20 abgeschieden. Die Barrierenschicht 22 besteht vorzugsweise aus einem anorganischen Material, insbesondere aus wenigstens einer Lage Metalloxid, vorzugsweise eine alternierende Abfolge aus Metalloxid-Lagen und Metallnit¬ rid-Lagen, beispielsweise bestehend aus wenigstens einer Zinn-Zink-Oxid-Lage und wenigstens einer Siliziumnitrid- Lage. Die Schichtdicke der Barrierenschicht 22 liegt vor- zugsweise oberhalb von 50 nm und liegt hier beispielsweise im Bereich von mehr als 50 nm bis 200 nm, insbesondere im Bereich von 75 nm bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 75 nm bis unterhalb von 100 nm. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Barrierenschicht 22 zwischen der Fronte- lektrodenschicht 22 und der Halbleiterschicht 21 angeordnet wird .
In einem dritten Strukturierungsschritt P3 werden die Bar¬ rierenschicht 22 und die Frontelektrodenschicht 20 durch Erzeugen dritter Schichtgräben 18 unterbrochen, wodurch die Frontelektroden 8 und die Diffusionsbarrieren 9 gebildet werden. Alternativ wäre denkbar, dass die dritten Schichtgräben 18 bis zum ersten Substrat 3 hinunter reichen. Eine Umsetzung der verschiedenen Metalle zum Halbleitermaterial erfolgt durch Erwärmen in einem Ofen (RTP = Rapid Thermal Processing) , was dem Fachmann an sich bekannt ist, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. In dem hier dargestellten Beispiel sind sowohl der resultierende positive Spannungsanschluss (+) als auch der re¬ sultierende negative Spannungsanschluss (-) des Dünn¬ schichtsolarmoduls 1 über die Rückelektroden 5 geführt und dort elektrisch kontaktiert. Durch Beleuchtung der Dünnschichtsolarzellen 2 wird an den beiden Spannungsanschlüssen eine elektrische Spannung erzeugt. Ein resultierender Strompfad 14 ist in Figur 1 durch Pfeile veranschaulicht.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen wird das erste Substrat 3 mit den aufgebrachten Dünnschichtsolarzellen 2 mit einem zweiten Substrat 11 zu einem bewitterungsstabilen Verbund verklebt. Dazu wird auf die Frontelektroden 8 und die die Frontelektroden 8 voneinander trennenden dritten Schichtgräben 18 eine (Kunststoff-) Klebschicht 10 aufgebracht, welche zur Verkapselung des Schichtenaufbaus 4 dient. Die dritten Schichtgräben 18 werden beim Aufbringen der Klebschicht 10 durch das isolierende Material dieser Schicht verfüllt.
Das zweite Substrat 11 ist als vorderseitige Deckschicht für die Strahlung 13 transparent und beispielsweise in Form einer Glasplatte aus extraweißem Glas mit geringem Eisenge- halt ausgebildet, wobei gleichermaßen andere elektrisch isolierende Materialien mit gewünschter Festigkeit und inertem Verhalten gegenüber den durchgeführten Prozessschritten eingesetzt werden können. Das zweite Substrat 11 dient zur Versiegelung und mechanischen Schutz des Schich- tenaufbaus 4. Über eine vorderseitige Moduloberfläche 15 kann das Dünnschichtsolarmodul 1 beleuchtet werden, um elektrische Energie zu erzeugen.
Die beiden Substrate 3, 11 sind durch die Klebschicht 10 fest miteinander verbunden ("laminiert")/ wobei die Kleb¬ schicht 10 hier beispielsweise als thermoplastische Kleb¬ schicht ausgebildet ist, die durch Erwärmen plastisch verformbar wird und beim Abkühlen die beiden Substrate 3 und 11 fest miteinander verbindet. Die Klebschicht 10 besteht hier beispielsweise aus PVB . Die beiden Substrate 3, 11 mit den in die Klebschicht 10 eingebetteten Dünnschichtsolarzellen 2 formen gemeinsam einen laminierten Verbund 12. In der hier beispielsweise aus PVB bestehenden Klebschicht 10 ist Wasser mit einem Gewichtsanteil im einstelligen Pro¬ millebereich enthalten. Durch die Diffusionsbarrieren 9 kann ein diffusiver Transport von Wassermolekülen von der Klebschicht 10 in die Absorberzonen 6 zumindest weitgehend verhindert werden. Gleichermaßen kann eine Diffusion der Dotierstoffionen (hier z.B. Natriumionen) aus den Absorberzonen 6 in die Klebschicht 10 durch die Diffusionsbarrieren 9 zumindest weitgehend verhindert werden. Hierdurch kann ein Leistungsverlust des Dünnschichtsolarmoduls 1 vermin¬ dert werden. Zwar kann ein diffusiver Transport von Wassermolekülen und Dotierstoffionen im Bereich der dritten
Schichtgräben 18 erfolgen, jedoch wird dieser als vernachlässigbar gering angesehen.
In Fig. 2 ist anhand eines schematischen Messdiagramms für das in Fig. 1 veranschaulichte Dünnschichtsolarmodul 1 der relative elektrische Serienwiderstand Rs (rel) der verschal¬ teten Dünnschichtsolarzellen 2, bezogen auf den Serienwi- derstand bei Inbetriebnahme (T = 0), als Funktion der Be¬ triebs- bzw. Standzeit T (h) in Stunden für verschiedene Diffusionsbarrieren 9 angegeben. Im Dünnschichtsolarmodul 1 wurden zwei gläserne Substrate 3, 11 mit PVB als Kleb¬ schicht 10 laminiert. Die Absorberzonen 6 bestehen aus ei- nem p-leitenden Chalkopyrithalbleiter, hier beispielsweise Natrium (Na) -dotiertes Cu(In,Ga) (S,Se)2.
Für die Messung wurde das Dünnschichtsolarmodul 1 durch Erwärmen in einer trockenen Umgebung auf ca. 85°C einer beschleunigten Alterung unterzogen.
Die Messkurven entsprechen verschiedenen Dünnschichtsolarmodulen 1, wobei jeweils nur die Diffusionsbarrieren 9 verändert wurden. Im Einzelnen wurden folgende Messkurven für ein Dünnschichtsolarmodul 1 bestimmt: Messkurve ( 1 ) : eine Diffusionsbarriere aus SnZnO mit einer Schichtdicke von 50 nm (50SnZnO)
Messkurve (2 ) : eine Diffusionsbarriere aus SiN mit einer Schichtdicke von 50 nm (50SiN)
Messkurve (3) : eine Diffusionsbarriere aus SiN mit einer Schichtdicke von 100 nm (lOOSiN)
Messkurve ( 4 ) : eine Diffusionsbarriere aus einer SnZnO-Lage mit einer Schichtdicke von 50 nm und einer SiN-Lage mit einer Schichtdicke von 50 nm (50+50)
Messkurve (5) : eine Diffusionsbarriere aus SnZnO mit einer Schichtdicke von 200 nm (200SnZnO)
Messkurve ( 6) : eine Diffusionsbarriere aus SnZnO mit einer Schichtdicke von 100 nm (100SnZnO)
Messkurve ( 7 ) : eine Diffusionsbarriere aus vier Lagen, wo- bei SnZnO-Lagen und SiN-Lagen in alternierender Abfolge angeordnet sind und die Lagen jeweils eine Schichtdicke von 25 nm haben (4*25)
Weiterhin wurde als Referenz bestimmt:
Messkurve ( 0 ) : Dünnschichtsolarmodul 1 ohne Diffusionsbar¬ riere (no)
Aus Messkurve (0) ist ersichtlich, dass der relative Se¬ rienwiderstand des Dünnschichtsolarmoduls 1 durch Alterung kontinuierlich ansteigt, wobei ein Sättigungsverhalten erkennbar ist. Nach ca. 14000 Stunden Standzeit steigt der Serienwiderstand praktisch nicht mehr an. Als Ursache hier¬ für wird die Eindiffusion von Wassermolekülen aus der PVB- Klebschicht 10 in die Absorberzonen 6 sowie die Aus- diffusion von Natriumionen aus den Absorberzonen 6 in die Klebschicht 10 angenommen. Während der Alterung steigt der Serienwiderstand auf das ca. 3,5- bis 4-fache seines An¬ fangswerts bei Inbetriebnahme des Dünnschichtsolarmoduls 1 an .
Die Messpunkte der Messkurven (1) bis (3) liegen relativ eng beieinander und unterscheiden sich zumindest nicht wesentlich von den Messpunkten der Referenz-Messkurve (0). Hieraus folgt, dass 50 nm dicke Diffusionsbarrieren aus SnZnO im Wesentlichen keine Wirkung hinsichtlich einer Verminderung des Anstiegs des Serienwiderstands des Dünn¬ schichtsolarmoduls 1 haben. Entsprechendes gilt für 50 nm dicke Diffusionsbarrieren aus SiN sowie für 100 nm dicke Diffusionsbarrieren aus SiN.
Im Unterschied hierzu wird in den Messkurven (4) bis (7) ein deutlicher Effekt hinsichtlich einer Verminderung des Anstiegs im Serienwiderstand des Dünnschichtsolarmoduls erkennbar. So kann durch 100 nm dicke Diffusionsbarrieren, jeweils bestehend aus einer 50 nm dicken SnZnO-Lage und einer 50 nm dicken SiN-Lage, 100 nm dicke oder 200 nm dicke Diffusionsbarrieren aus SnZnO, sowie durch 100 nm dicke Diffusionsbarrieren, jeweils bestehend aus vier 25 nm dicken SnZnO-Lagen und SiN-Lagen in alternierender Abfolge der Anstieg im Serienwiderstand erheblich vermindert wer¬ den . Dabei liegen die Messkurven (4) bis (7) relativ eng beieinander und unterscheiden sich zumindest nicht wesentlich voneinander. Während der Alterung steigt der Serienwiderstand nur auf das ca. 2 bis 2,5-fache seines Anfangswerts bei Inbetriebnahme des Dünnschichtsolarmoduls 1 an, so dass eine ca. 50%-ige Verminderung des Anstiegs im Serienwiderstand durch solche Diffusionsbarrieren erzielbar ist. Als Ursache hierfür wird eine Hemmung des diffusiven Transports von Wassermolekülen und Natriumionen durch die Diffusionsbarrieren der Solarzellen angenommen.
Somit kann mit Diffusionsbarrieren aus SnZnO erst oberhalb einer Schichtdicke von 50 nm, insbesondere bei einer
Schichtdicke von 100 nm und 200 nm, eine gute diffusions- hemmende Wirkung erreicht werden, wobei bezüglich einer Schichtdicke von 100 nm oder 200 nm praktisch kein Unterschied mehr erkennbar ist. Eine entsprechend gute Wirkung ist auch für jene Diffusionsbarrieren erkennbar, in denen SnZnO und SiN in Kombination enthalten ist, wobei bei einer Gesamtschichtdicke von 100 nm der Diffusionsbarrieren eine 50 nm dicke SnZnO-Lage bzw. zwei 25 nm dicke SnZnO-Lagen genügen, um einen guten diffusionshemmenden Effekt zu erzielen. Durch eine Aufteilung der Diffusionsbarrieren in eine Mehrzahl Lagen mit alternierender Materialfolge kann ein besonders guter diffusionshemmender Effekt erzielt werden .
In Fig. 3 ist für die Messkurven (0) bis (7) jeweils der relativ Wirkungsgrad Eta(rel) des Dünnschichtsolarmoduls 1, bezogen auf den Wirkungsgrad des Dünnschichtsolarmoduls 1 bei Inbetriebnahme (T = 0), als Funktion der Betriebs- bzw. Standzeit T (h) in Stunden angegeben. Demnach wird erkennbar, dass sich der Wirkungsgrad ohne Diffusionsbarrieren durch Alterung um ca. 20 bis 25~6 ver mindert. Entsprechendes gilt für 50 nm dicke Diffusionsbar¬ rieren aus SnZnO oder SiN. Ein relativ geringer Effekt ist für 100 nm dicke Diffusionsbarrieren aus SiN beobachtbar, wobei der Wirkungsgrad um ca. 18% vermindert wird. Mit Dif¬ fusionsbarrieren aus 100 nm dicken SnZnO kann eine Verminderung des Wirkungsgrads um ca. 13% erreicht werden. Beste Ergebnisse werden für die Diffusionsbarrieren der Messkurven (4) bis (7) erzielt, wobei sich der Wirkungsgrad des Dünnschichtsolarmoduls lediglich um ca. 10% vermindert. Somit kann durch geeignete Diffusionsbarrieren die Wirkungsgradverminderung um ca. 50% reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Solarmodul, insbeson- dere Dünnschichtsolarmodul, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung, bei dem durch Diffusionsbarrieren für Wassermoleküle und Dotierstoffionen zwischen den Absorberzonen der Solarzellen und der Klebeschicht eine Verminderung des alterungsbedingten Leistungsverlusts er- reicht werden kann. Die Herstellung der Diffusionsbarrieren kann in die industrielle Serienfertigung von Solarmodulen in einfacher und kostengünstiger Weise integriert werden. Bezugs zeichenliste
1 Dünnschicht solarmodul
2 Dünnschichtsolarzelle 3 erstes Substrat
4 Schichtenaufbau
5 Rückelektrode
6 Absorberzone
7 Pufferzone
8 Frontelektrode
9 Diffusionsbarriere
10 Klebschicht
11 zweites Substrat
12 Verbund
13 Strahlung
14 Strompfad
15 Moduloberfläche
16 erster Schichtgraben
17 zweiter Schichtgraben 18 dritter Schichtgraben
19 Rückelektrodenschicht
20 Frontelektrodenschicht
21 Halbleiterschicht
22 Barrierenschicht
23 Pufferschicht

Claims

Patentansprüche
1. Solarmodul (1) mit einem laminierten Verbund (12) aus zwei durch wenigstens eine Klebschicht (10) miteinander verbundenen Substraten (3, 11), zwischen denen sich seriell verschaltete Solarzellen (2) befinden, die jeweils über eine Absorberzone (6) aus einem halbleitenden Material zwi¬ schen einer auf einer Lichteintrittseite der Absorberzone (6) angeordneten Frontelektrode (8) und einer Rückelektrode (5) verfügen, wobei sich zwischen der Absorberzone (6) und der Klebschicht (10) eine von der Frontelektrode (8) ver¬ schiedene Diffusionsbarriere (9) befindet, welche dazu aus¬ gebildet ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht (10) in die Absorberzone (6) und/oder die Dif- fusion von Dotierstoffionen aus der Absorberzone (6) in die Klebschicht (10) zu hemmen.
2. Solarmodul (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Diffu¬ sionsbarriere (9) wenigstens eine Metalloxid-Lage umfasst.
3. Solarmodul (1) nach Anspruch 2, bei welchem die Diffu¬ sionsbarriere (9) eine alternierende Abfolge wenigstens einer Metalloxid-Lage und wenigstens einer Metallnitrid- Lage umfasst.
4. Solarmodul (1) nach Anspruch 3, bei welchem die Diffu¬ sionsbarriere (9) aus einer alternierenden Abfolge wenigs¬ tens einer Lage aus Zinn-Zink-Oxid und wenigstens einer Lage aus Siliziumnitrid besteht.
5. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Schichtdicke der Diffusionsbarriere (9) mehr als 50 nm beträgt, insbesondere im Bereich von mehr als 50 nm bis 200 nm, und insbesondere im Bereich von 75 nm bis 100 nm liegt.
6. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Diffusionsbarriere (9) zwischen der Front¬ elektrode (8) und der Klebschicht (10) angeordnet ist.
7. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Diffusionsbarriere (9) zwischen der Frontelekt¬ rode (8) und der Absorberzone (6) angeordnet ist.
8. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wel- che umfasst:
- eine Rückelektrodenschicht (19) mit ersten Schichtgräben
(16) zum Formen der Rückelektroden (5),
- eine Halbleiterschicht (21) mit zweiten Schichtgräben
(17) zum Formen der Absorberzonen (6),
- eine Frontelektrodenschicht (20) mit dritten Schichtgrä¬ ben (18) zum Formen der Frontelektroden (8),
wobei sich die Diffusionsbarrieren (9) der Solarzellen (2) außerhalb der dritten Schichtgräben (18) befinden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (1) mit einem laminierten Verbund (12) aus zwei durch wenigstens eine Klebschicht (10) miteinander verbundenen Substraten (3, 11), zwischen denen sich seriell verschaltete Solarzel¬ len (2) befinden, die jeweils über eine Absorberzone (6) aus einem halbleitenden Material zwischen einer auf einer Lichteintrittseite der Absorberzone (6) angeordneten Front¬ elektrode (8) und einer Rückelektrode (5) verfügen, wobei in jeder Solarzelle (2) eine von der Frontelektrode (8) verschiedene Diffusionsbarriere (9) zwischen der Absorber- zone (6) und der Klebschicht (10) angeordnet wird, welche dazu ausgebildet ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht (10) in die Absorberzone (6) und/oder die Diffusion von Dotierstoffionen aus der Absorberzone (6) in die Klebschicht (10) zu hemmen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem eine Barrierenschicht (22) zur Bildung der Diffusionsbarrieren (9) der Solarzellen (2) durch chemische oder physikalische Gaspha- senabscheidung oder magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäu¬ bung hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Barrieren- schicht (22) zur Bildung der Diffusionsbarrieren (9) der
Solarzellen (2) durch Abscheiden wenigstens einer Metalloxid-Lage hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Barrieren- schicht (22) zur Bildung der Diffusionsbarrieren (9) der
Solarzellen (2) durch Abscheiden einer alternierenden Abfolge wenigstens einer Metalloxid-Lage und wenigstens einer Metallnitrid-Lage hergestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem die Rückelektroden (5) durch Ausbilden erster Schichtgräben (16) in einer Rückelektrodenschicht (19), die Absor¬ berzonen (6) durch Ausbilden zweiter Schichtgräben (17) in einer Halbleiterschicht (21) und die Frontelektroden (8) durch Ausbilden dritter Schichtgräben (18) in einer Frontelektrodenschicht (20) hergestellt werden, wobei die Barrie¬ renschicht (22) auf die zur Herstellung der Frontelektroden (8) dienende Frontelektrodenschicht (20) abgeschieden wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem die Rückelektroden (5) durch Ausbilden erster Schichtgräben (16) in einer Rückelektrodenschicht (19), die Absor¬ berzonen (6) durch Ausbilden zweiter Schichtgräben (17) in einer Halbleiterschicht (21) und die Frontelektroden (8) durch Ausbilden dritter Schichtgräben (18) in einer Frontelektrodenschicht (20) hergestellt werden, wobei die Barrie¬ renschicht (22) auf die Frontelektroden (8) und dritten Schichtgräben (18) abgeschieden wird.
15. Verwendung einer Diffusionsbarriere (9) in einem So¬ larmodul (1) mit einem laminierten Verbund (12) aus zwei durch wenigstens eine Klebschicht (10) miteinander verbun¬ denen Substraten (3, 11), zwischen denen sich seriell ver- schaltete Solarzellen (2) befinden, die jeweils über eine Absorberzone (6) aus einem halbleitenden Material zwischen einer auf einer Lichteintrittseite der Absorberzone (6) angeordneten Frontelektrode (8) und einer Rückelektrode (5) verfügen, wobei die Diffusionsbarriere (9) von der Front¬ elektrode (8) verschieden ist und sich zwischen der Absorberzone (6) und der Klebschicht (10) befindet, wobei die Diffsionsbarriere (9) dazu ausgebildet ist, die Diffusion von Wassermolekülen aus der Klebschicht (10) in die Absor- berzone (6) und/oder die Diffusion von Dotierstoffionen aus der Absorberzone (6) in die Klebschicht (10) zu hemmen.
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