CN104425637A - 部分透明的薄层太阳能模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种部分透明的薄层太阳能模块。本发明的主题是一种用于制造部分透明的薄层太阳能模块的方法，其中不透明的层(多为半导体层和背接触层)具有没有该层的材料的限定的面区域。通过已经在制造期间不对这些没有材料的面区域进行覆层或者通过后来暴露这些面区域可以制造出这些没有材料的面区域。

Description

部分透明的薄层太阳能模块
技术领域
本发明涉及薄层太阳能模块，其中通过适当地去除不透明的或者仅微弱透明的光伏活性面的特定部分来实现对照射的光的期望的部分透明性。
背景技术
透明性在下面理解为对于在可见光谱范围(380nm到780nm)内的光相对于整个受检查的面的透过性。这具体而言意味着，受检查的面(例如太阳能模块)可以具有很不透光的或者甚至完全不透光的和较强地透光的区域。部分透明性在上下文中意味着，被观察的面对于部分入射光透明。
在将来的能量产生中太阳能电池起重要的作用。在此尤其是薄层太阳能模块鉴于材料消耗少和批量生产简单而具有优点。这种太阳能模块用非结晶的或者多晶的半导体材料构造，它们可在大面积的衬底上，尤其在玻璃衬底上低成本地沉积。最重要的代表是以硫化镉-碲化镉(CdS／CdTe)、二硒化铜铟(CIS-CIGS)或者非结晶的硅(a-Si)为基础的太阳能模块。
薄层太阳能模块由多个在衬底上顺序沉积的并且必要时被继续处理的层组成。
在具有所谓的“衬底上置”结构(，，Superstrat“-Konfiguration)的薄层模块中，从衬底(多为玻璃)开始沉积出透明的前接触层、不透明或者仅轻微透明的光伏活性半导体层和背接触层。在根据现有技术的绝大多数太阳能电池中，背接触层是不透明的。然而也公知有具有透明的背接触层的结构方式。
在具有所谓的“衬底下置”结构(，，Substrat“-Konfiguration)的薄层模块中，从衬底开始沉积出一般不透明的背接触层、不透明的光伏活性半导体层和透明的前接触层。作为前接触层一般使用透明的导电氧化物(TCO，transparent conductive oxide)，例如掺杂锡的氧化铟(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)或者掺杂铝的氧化锌(AZO)以及锡酸盐类的化合物，例如锡酸镉(Cd2(SnO4))。
从太阳能向电能的光伏变换在根据现有技术的太阳能电池中通常产生低于1伏的电压。因此为获得技术上可使用的电压必须串联许多单个太阳能电池。这在薄层太阳能模块中优选以如下方式进行，即，把太阳能模块的活性面分割成单个条状的太阳能电池。该分割通过所谓的结构化条进行，其中每个结构化条优选由三个紧邻的结构化切口组成。在一种优选的实施方式中，每个分切口各自仅分开太阳能模块的层序列的确定的单层。通过彼此适宜地布置这些分切口并且必要时用导电的或者绝缘的材料填充结构化切口来实现：一个太阳能电池的背接触部与紧跟着的太阳能电池的前接触层接触并且前接触部和背接触部各自在接触部位的前面或后面分开，由此产生这些太阳能电池的串联。对于这种加工人们也称为结构化。相应地根据现有技术的薄层太阳能模块具有许多单个太阳能电池，它们优选从太阳能模块的一个边缘延伸到另一个边缘(或者说直到该太阳能模块的去除了层的边缘)。单个的条状太阳能电池通过结构化条彼此分开并且彼此串联。为结构化，从现有技术公知有不同的方法，其中通常在结构化条的区域内以单个结构化切口的形式完全或者部分地去除覆层。在此例如涉及机械方法、激光加工方法、贴写方法(Pastenschreibmethode)或者剥离技术(参见DE3712589A1和DE4324318C1)。结构化条优选彼此平行延伸。
光伏式能量生产的一个重要的方面是对放置太阳能模块的面需求。特别从经济-生态的观点出发，力图把太阳能模块放在屋顶上以及越来越多地把太阳能模块集成在建筑物立面尤其是高楼立面内。
为在房屋立面内应用太阳能模块，所述太阳能模块以如下方式构造，即，其能够满足典型的立面覆盖的功能。另外所述太阳能模块有利地产生电能，该电能可以在房屋内使用或者可以输送到开放的电网中。
房屋立面，尤其是高楼立面一般具有特别的建筑上的要求。尤其是立面覆盖的区域需设计为部分透明的。即使当立面区域不含有窗户，而仅存在于不需要直接日光入射的功能空间前时，一定的光入射仍然是值得期待的。
在此部分透明的立面元件可以是有利的。
来自现有技术的常规的薄层太阳能模块不给出或者仅给出非常微小的部分透明性。具有它们的专门的用于串联单个太阳能电池条的结构化模板的薄层太阳能模块也不示出明显的透明性，这是因为透明的结构化切口仅具有总共明显小于0.1mm的宽度并且结构化区域具有大于5mm的典型的间隔。因此根据现有技术的薄层太阳能模块的透明性通常合计明显低于入射光的2％以下。
发明内容
因此提出了这样的任务：建议一种部分透明的薄层太阳能模块，其除产生能量外能够实现使光入射到背离光入射侧的区域内。尤其在此，光学的印象应该尽可能接近一个闭合的、均匀且匀称的面，这是因为尤其在用作立面元件时太阳能电池经常也必须满足美学的要求。
该任务根据本发明通过具有权利要求1的方法来解决。有利的方法方式在回引权利要求1的从属权利要求中公开。根据本发明的装置在权利要求8中说明。有利的实施方式在回引的从属权利要求中公开。
根据本发明，通过制造太阳能模块的部分透明性，通过在薄层太阳能模块中用适宜的方法优选在层压前适当地去除这种模块的薄层太阳能电池的叠层的可自由限定的面区域(透明的面区域)，或者通过仅在可自由限定的面区域(透明的面区域)外将叠层构造在衬底上，该任务被解决。可自由限定的面区域优选以如下方式设计，即，至少通过所有不透明的层而达到该自由区域，从而在太阳能电池的叠层中产生一种光可穿透的窗口。
根据本发明的太阳能模块具有许多可自由限定的面区域，它们不包括叠层或者仅包括叠层的透光的层。可自由限定的面区域的面积份额优选在太阳能模块的整个面的70％与5％之间，特别优选在50％与10％之间，尤其特别优选在40％与20％之间。30％±5％的面积份额被证明尤其特别有利。
在一种优选的实施方式中，通过在为面区域设置的每个部位上去除叠层的所有的层，或者通过至少去除该叠层的不透光的层来进行该可自由限定的面区域的构造。
在限定的面区域内随后去除薄层太阳能电池的叠层优选利用激光方法来进行，如该激光方法也在薄层模块的结构化任务中使用的那样。此外优选还有上面提到的使用雕刻和喷砂效应或者专门的剥离机构的机械方法以及匹配的光刻方法。
在另一种优选的实施方式中，通过将叠层的所有的层的沉积，或者至少将不透光的层的沉积限制到所述可自由限定的面区域之外的区域上来进行可自由限定的面区域的构造。为此适宜的是现有技术的技术准备，例如掩膜。在这种方式中，如此进行层的沉积，使得限定的面区域(所述可自由限定的面区域)保持不被覆层并且以这种方式实现部分透明性。
可自由限定的面区域的形状原则上可以是任意的。但是优选使用简单的几何形状，如矩形、梯形、三角形、多边形或者圆形。这些形状如此选择，使得它们能够沿着通过结构化预给出的太阳能电池条尽可能对称地布置。太阳能电池条越宽，那么会产生更多的形状的变型可能性。优选地，可自由限定的面区域的面积份额在太阳能电池模块的每个太阳能电池条内是大小相等的。
在一种优选的实施方式中通过较宽地实施结构化切口来产生透明性。
在一种优选的实施方式中，可自由限定的面区域使用无色的或者有色的透明塑料填充，从而产生用于闭合背接触层的平坦表面。通过使用有色的塑料可实现太阳能电池的有利的美学实施方式。可自由限定的面区域的填充优选借助根据现有技术的光刻加工进行。作为塑料材料例如使用PMMA。
通过在限定的面区域内去除光伏活性层，薄层太阳能模块的效率在理想的情况下仅以去除的面与整个光伏活性面的比例减小。在这种情况下，面的形状优选这样选择，使得在去除的面之间留有的光伏面具有矩形形状。由此保证，在两个相邻的结构化切口之间留有的光伏活性剩余面具有保持相等的宽度b和矩形形状。因此为了在面区域Δx*b的矩形(Δx-长度)内沿着矩形形状的光伏剩余面产生的光伏电流，像类似已经在原来的太阳能电池条中那样，提供有矩形s的恒定宽度b的电流路径。如果所有矩形形状的光伏活性的剩余面在结构化切口处始终以矩形的宽度b彼此相遇，那么关于串联电阻和电流密度的电路条件相应于原来的薄层太阳能模块的串联的接线原理。仅提供的总电流和进而还有效率按照去除的面区域对于总的光伏活性面的比例减小。
因此光伏上理想透明的面区域是如下矩形，它们延伸过整个太阳能电池条并且以如下方式布置，使得每太阳能电池条的光伏活性的剩余面积对于薄层太阳能模块的所有太阳能电池条都相等。
可自由限定的面区域的尺寸依赖于太阳能电池模块的设置的使用区域来选择。当装备有太阳能电池模块的面应该引起一种光滑的和匀称的印象时，那么可自由限定的面区域非常小，从而所述可自由限定的面区域不再能够由观察者从一定距离上单个地察觉到。在另一个优选的实施方式中，可自由限定的面区域形成要用太阳能电池模块装备的面自己的造型元件。在此尺寸是如此大小，即，该面区域对于观察者来说是可见的。
然而为了满足广泛的美学的和结构的需求，更复杂的模板是必要的。因此在另一种优选的实施方式中，光伏活性的剩余面可以是平行四边形状的，其具有平行四边形的宽度b，并且在结构化切口处不在平行四边形的宽度b上比邻，而是在侧向上任意错开地布置。圆形形状和椭圆形状作为透明的光伏非活性面区域同样是优选的。但是透明的梯形形状和三角形形状按照布置不同也能够导致不同宽度的光伏活性剩余面。在这种条件下产生极大的额外的串联电阻效应，这是因为电流路径比在原来的薄层模块中的电流路径长，并且在光伏活性剩余面的宽度变化的情况下电流路径的收缩部导致局部升高的电流密度。在个别情况下可检查出或者计算地确定出现的电流密度是否是可接受的或者是否可以例如通过提高材料厚度(层厚)来补偿。
为了在很大程度上避免上述起消极影响的串联电阻效应，在一种特别优选的方法方式中在去除薄层太阳能电池的叠层时如此设计加工流程，使得保留导电的、透明的前接触层。由于以这种方式针对在光伏活性剩余面内产生的光伏电流在前接触层的区域内完全获得薄层太阳能模块的原来的电流路径，所以负面的串联电阻效应被避免，这是因为绝不会出现电流路径的延长或者以光伏方式产生的电流的电流密度的不期望的局部升高。
所说明的有利的效应尤其在前接触层中有意义，这是因为前接触层的面电阻RSquare，Front通常是背接触层的面电阻RSquare，Rück至多10倍大，后者因此也仅须保留在光伏活性剩余面的区域内。另一方面，如果串联电阻效应出现，背接触层的厚度也可以稍微提高。相反，前接触层的厚度根据光伏效果来优化(入射的光的透射)并且仅能在额外的效率损失的情况下更厚地实施。
附图说明
下面借助多个实施例来阐述本发明。所附的附图用于阐述实施例，其中：
图1以横截面图示意性地示出实现薄层太阳能模块部分透明性的根据本发明的原理；
图2示意性地示出薄层太阳能模块10的片段图；
图3示意性地示出一种具有圆形的透明的在太阳能电池条内规则分布的面区域的实施方式；
图4示意性地示出一种具有许多圆形的透明的在太阳能电池条内随机地分布的面区域的实施方式；
图5示出一种带有“矩形透明性”的实施方式；
图6示出一种带有“圆形透明性”的实施方式。
具体实施方式
图1以横截面图示意性地示出实现薄层太阳能模块10部分透明性的根据本发明的原理。太阳能电池11由叠层组成，该叠层具有：
-透明的前接触层14、
-不透明的CdS／CdTe层15和
-不透明的背接触层16。
太阳能电池沉积在前玻璃17上。通过去除不透明的层15和16的限定的透明的区域19产生期望的部分透明性。去除限定的不透明的层15和16的加工在薄层太阳能模块10的在此存在的“衬底上置”结构中实施，使得保留透明的前接触层14(避免额外的串联电阻)。接着像在正常制造薄层太阳能模块10时那样层压上背玻璃18。
图2示意性地示出薄层太阳能模块10的片段图，在该片段图中，从太阳能电池条20的不透明的层15和16的面中去除一些矩形，使得光伏活性剩余面21保留有宽度bRechteck，它的长度bStreifen在整个太阳能电池条20上延伸。在相邻的太阳能电池条20的结构化切口的区域内光伏剩余面21在宽度bRechteck上比邻。
图3：从薄层太阳能模块10的太阳能电池条20的不透明的面21中以固定的间隔aKreise和限定的直径dKreise沿着太阳能电池条20的中线去除圆22，其中满足：dKreise<bStreifen。相邻的太阳能电池条20的圆22的中心分别彼此错开同一太阳能电池条20的两个圆22的中心间隔aKreise的一半的间隔aVersatz。
图4示意性地示出一种具有许多圆形的透明的面区域22的实施方式，这些面区域随机地在太阳能电池条20内分布。在这种实施方式中圆形的透明的面区域22的尺寸比太阳能电池条的宽度bStreifen小许多。
图5示出德国外观设计DM073637的薄层模块10的基础上的约30％的“矩形透明性”的实现。
图6示出德国外观设计DM073637的薄层模块的基础上的约30％的“圆形透明性”的实现。这种实施方式与图4所示的实施方式的不同点在于，它在太阳能电池条内规则地布置圆形的透明的面区域。
附图标记列表
1    入射光
2    穿透可自由限定的面区域的光
3    太阳能电池模块的去除了层的边缘
4    具有接触总线的太阳能电池条
10   薄层太阳能电池模块
11   太阳能电池
14   前接触层
15   不透明的CdS／CdTe层
16   不透明的背接触层
17   前玻璃
18   背玻璃
19   去除了层结构的透明的区域(面区域)
20   太阳能电池条
21   不透明的面(光伏活性区域)
22   圆形的面区域(圆)
bR   矩形的活性的剩余面的宽度bRechteck
bS   矩形的活性的剩余面的长度bStreifen
aK   圆形的面区域(圆)的间隔aKreise
dK   圆形的面区域(圆)的直径dKreise
vK   在相邻的条内的圆形的面区域(圆)的中心的间隔aVersatz

Claims (12)

1.部分透明的薄层太阳能模块，具有透明的衬底，在所述衬底上施加有覆层，其中，所述覆层至少具有透明的前接触层、不透明的或者仅微弱透明的光伏活性半导体层和透明的或者不透明的背接触层，并且所述覆层通过结构化条被分割成单个的、串联的太阳能电池条，其特征在于，至少所述半导体层和背接触层具有没有这些层的材料的限定的面区域。
2.根据权利要求1所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，在所述限定的面区域内留有透明的前接触层。
3.根据权利要求1或2所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，透明的面区域随机地或者规则地布置在模块面上。
4.根据上述权利要求之一所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，透明的面区域优选
-沿着所述太阳能电池条对称地布置，
-它们各自的延伸尺寸不超过所述太阳能电池条的宽度，
-所述透明的面区域的总面积对于所有太阳能电池条的是相等的。
5.根据上述权利要求之一所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，所述限定的面区域用透明的或者有色的透明塑料覆层。
6.根据上述权利要求之一所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，去除了半导体层和背接触层的限定的面区域通过任意扩宽的结构化切口产生，由此实现期望的部分透明性。
7.根据上述权利要求之一所述的部分透明的薄层太阳能模块，其特征在于，去除了半导体层和背接触层的限定的面区域存在于所述太阳能电池条的区域内，并且具有
-矩形形状
-平行四边形形状
-圆形形状
-三角形形状
-梯形形状
-多边形形状。
8.用于制造根据上述权利要求之一所述的部分透明的薄层太阳能模块的方法，其特征在于，在所述半导体层和背接触层内限定的面区域利用
-激光加工
-机械划刻加工
-剥离加工
-蚀刻加工
-喷砂加工
来去除。
9.用于制造根据权利要求1到7之一所述的部分透明的薄层太阳能模块的方法，其特征在于，在所述半导体层和背接触层内限定的面区域在沉积这些层时通过掩模来保持不被覆层。
10.用于以衬底下置结构制造部分透明的薄层太阳能模块的方法，至少具有下述步骤：
-准备衬底，
-施加透明的或者不透明的背接触层，
-施加不透明的或者仅微弱透明的光伏活性半导体层，
-施加透明的前接触层，
-借助彼此平行延伸的结构化条将这些层结构化，并且把覆层划分成单个的、串联的太阳能电池条，
其特征在于，
-在沉积所述前接触层之前从所述背接触层和所述半导体层中去除限定的面区域，
-用透明的或者有色的透明塑料填充经去除的面区域，接着将所述透明的前接触层沉积到透明的和不透明的面区域上。
11.用于以衬底上置结构制造部分透明的薄层太阳能模块的方法，至少具有下述步骤：
-准备衬底，
-施加透明的或者不透明的前接触层，
-施加不透明的或者仅微弱透明的光伏活性半导体层，
-施加透明的或者不透明的背接触层，
-借助彼此平行延伸的结构化条将这些层结构化，并且把覆层划分成单个的、串联的太阳能电池条，
其特征在于，
-从所述背接触层和所述半导体层中去除限定的面区域。
12.根据权利要求11所述的用于以衬底上置结构制造部分透明的薄层太阳能模块的方法，其特征在于，将经去除的面区域用透明的或者有色的透明塑料覆层。
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