DE102011081655A1 - Thin film solar cell - Google Patents

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Ingo Ramsteiner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle (1), mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat (3) angeordneten ersten Solarzellenkomponente (7), insbesondere auf Basis von amorphem Silizium, und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente (11), insbesondere auf Basis von mikrokristallinem Silizium, sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwischenreflektorschicht (9), welche aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten aufgebaut ist.The invention relates to a thin-film solar cell (1) having a first solar cell component (7) arranged on a transparent front side substrate (3), in particular based on amorphous silicon, and a second one arranged thereon and thus lying below the first solar cell component in the position of use Solar cell component (11), in particular based on microcrystalline silicon, as well as an arranged between the first and second solar cell component intermediate reflector layer (9), which is composed of a plurality of superposed sub-layers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ, mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat angeordneten ersten Solarzellenkomponente auf Basis von amorphem Silizium und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente auf Basis von mikrokristallinem Silizium sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwischenreflektorschicht.The invention relates to a tandem-type thin-film solar cell having a first solar cell component based on amorphous silicon arranged on a transparent front-side substrate and a second solar cell component based on microcrystalline silicon arranged thereon and thus lying below the first solar cell component in the position of use intermediate reflector layer disposed between the first and second solar cell components.

Stand der TechnikState of the art

Dünnschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis sind üblicherweise in einer p-i-n-Struktur aufgebaut, d. h. die Zelle umfasst einen Stapel aus einer oder mehreren p-dotierten Schichten, einer oder mehreren undotierten bzw. intrinsischen Schichten und einer oder mehreren n-dotierten Schichten. Sie zeichnen sich durch niedrige Produktionskosten und hohe Flexibilität sowohl in der Herstellung als auch im Einsatz aus. Allerdings ist die Effizienz der fotovoltaischen Energieumwandlung geringer als bei Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium.Silicon-based thin-film solar cells are usually constructed in a p-i-n structure, i. H. the cell comprises a stack of one or more p-doped layers, one or more undoped or intrinsic layers, and one or more n-doped layers. They are characterized by low production costs and high flexibility both in production and in use. However, the efficiency of photovoltaic energy conversion is lower than solar cells based on crystalline silicon.

Hinsichtlich der Effizienz der Energieumwandlung sind bei den Dünnschicht-Solarzellen bzw. -Modulen auf Siliziumbasis aktuell serienverschaltete Stapel von zwei oder mehreren übereinander angeordneten Solarzellenkomponenten das Maß der Dinge. Deren Herstellung erfolgt üblicherweise in separaten Beschichtungssystemen für jede Solarzellenkomponente bzw. in separaten Beschichtungskammern, die über ein Transportsystem miteinander verbunden sind. Es gibt auch Reaktoren bzw. Verfahrensführungen, bei denen der komplette Schichtstapel einer amorphen oberen (d. h. in Gebrauchslage der Einstrahlung zugewandten) Solarzellenkomponente, auch als Topzelle bezeichnet, samt einer mehrteiligen n-dotierten Schicht, in einem Prozessablauf gebildet wird. Auch hier wird jedoch eine zweite, untere Solarzellenkomponente (auch bezeichnet als Bottomzelle) in einem separaten PECVD-System für mikrokristalline Abscheidungen prozessiert.With regard to the efficiency of energy conversion, thin-layer solar cells or modules based on silicon currently use series-connected stacks of two or more solar cell components arranged one above the other. Their production usually takes place in separate coating systems for each solar cell component or in separate coating chambers, which are connected to one another via a transport system. There are also reactors or process guides in which the complete layer stack of an amorphous upper (i.e., in the position of use of the irradiation facing) solar cell component, also referred to as a top cell, including a multi-part n-doped layer is formed in a process flow. Again, however, a second lower solar cell component (also referred to as a bottom cell) is processed in a separate PECVD system for microcrystalline depositions.

Es ist bekannt, zwischen den genannten Solarzellenkomponenten, also zwischen amorpher Top- und mikrokristalliner Bottomzelle, eine Reflektorschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrad der Stromerzeugung in der amorphen Topzelle vorzusehen.It is known to provide a reflector layer for increasing the efficiency of power generation in the amorphous top cell between said solar cell components, that is, between amorphous top and microcrystalline bottom cell.

Bei Dünnschichten-Siliziumsolarzellen und -Modulen, die zumindest anteilig aus amorphem Silizium (a-Si) bestehen, tritt nämlich während der ersten ca. 1000 Stunden Bestrahlung mit Licht eine lichtinduzierte Degradation auf (Staebler-Wronski-Effekt). Das führt zu einer Absenkung des initialen Wirkungsgrades auf den sog. stabilisierten Wirkungsgrad, der die für den Verkauf des Solarmoduls relevante Kenngröße darstellt. Die Degradation der amorphen Siliziumsolarzelle hängt stark von der Dicke des a-Si-Absorbermaterials ab. Durch eine Zwischenreflektorschicht kann die Stromdichte der a-Si-Topzelle erhöht werden, und das bei gleichbleibendem Degradationsfaktor. Alternativ ist es möglich, mit einer wesentlich dünneren und dadurch stabileren a-Si-Absorberschicht die gleiche initiale Stromdichte zu erzielen wie mit der ursprünglichen Dicke ohne Reflektorschicht, jedoch mit einer einem geringeren Degradationsfaktor. In beiden Fällen steigt der stabilisierte Wirkungsgrad.In the case of thin-film silicon solar cells and modules which consist at least proportionally of amorphous silicon (a-Si), light-induced degradation occurs during the first approximately 1000 hours of irradiation with light (Staebler-Wronski effect). This leads to a lowering of the initial efficiency on the so-called. Stabilized efficiency, which represents the relevant indicator for the sale of the solar module. The degradation of the amorphous silicon solar cell depends strongly on the thickness of the a-Si absorber material. Through an intermediate reflector layer, the current density of the a-Si top cell can be increased, and the same at a constant degradation factor. Alternatively, it is possible to achieve the same initial current density with a substantially thinner and thus more stable a-Si absorber layer than with the original thickness without reflector layer, but with a lower degradation factor. In both cases, the stabilized efficiency increases.

Neben der Reflektivität des Zwischenreflektors sind die elektrischen Eigenschaften wichtig. Die Zwischenschicht muss senkrecht zur Schicht ausreichend leitfähig sein, um den Stromfluss durch den Zellstapel nicht zu behindern. Parallel zur Schicht sollte der ohmsche Widerstand jedoch möglichst hoch sein, um in der Serienverschaltung eines Dünnschichtmoduls nicht zu einem Kurzschluss zwischen benachbarten Zellen zu führen und um Kurzschlüsse, leitfähige Pfade oder Shunt im Zellstapel zu dämpfen. Letzteres führt ebenfalls zu besseren elektrischen Kenndaten der Solarzelle; vgl. M. Despeisse, G. Bugnon, A. Feltrin, M. Stueckelberger, P. Cuony, F. Meillaud, A. Billet and C. Ballif: „Resistive interlayer for improved performance of thin film solar cells an highly textured substrate”, Applied Physics Letters, Vol. 96, Nr. 073507, 2010 und für die p-Schicht: P. Cuony, M. Marenberg, D. T. L. Alexander, M. Boccard, G. Bugnon, M. Despeisse, and C. Balif, ”Mixed-phase p-type silicon Oxide containing silicon nanocrytals and its role in thin-film silicon solar cells”, Applied Physics Letters, Vol. 97, Nr. 213502, 2010.In addition to the reflectivity of the intermediate reflector, the electrical properties are important. The intermediate layer must be sufficiently conductive perpendicular to the layer so as not to hinder the flow of current through the cell stack. However, parallel to the layer, the ohmic resistance should be as high as possible so as not to cause a short circuit between adjacent cells in the series connection of a thin-film module and to damp short circuits, conductive paths or shunts in the cell stack. The latter also leads to better electrical characteristics of the solar cell; see. M. Despeisse, G. Bugnon, A. Feltrin, M. Stueckelberger, P. Cuony, F. Meillaud, A. Billet and C. Ballif: "Resistive interlayer for improved performance of thin film solar cells on highly textured substrate", Applied Physics Letters, Vol. 96, No. 073507, 2010 and for the p-layer: P. Cuony, M. Marenberg, DTL Alexander, M. Boccard, G. Bugnon, M. Despeisse, and C. Balif, "Mixed phase p-type silicon Oxide containing silicon nanocrytals and its role in thin-film silicon solar cells ", Applied Physics Letters, Vol. 97, No. 213502, 2010.

Eine Dünnschicht-Solarzelle 1 vom Tandem-Typ mit Zwischenreflektorschicht (IR) ist in 1 dargestellt. Mit den hellen Pfeilen ist hier die Sonneneinstrahlung symbolisiert; in der Figur ist daher (wie auch in den anderen Figuren) die erste Solarzellenkomponente die untere und die zweite Solarzellenkomponente darüber angeordnet. Dies entspricht der Abfolge der Schichterzeugungsschritte.A thin-film solar cell 1 tandem type with intermediate reflector layer (IR) is in 1 shown. The sun's rays are symbolized here with the bright arrows; in the figure, therefore, as in the other figures, the first solar cell component is disposed above the lower and second solar cell components. This corresponds to the sequence of the layer-forming steps.

Die Dünnschicht-Solarzelle 1 umfasst ein (Glas-)Substrat 3, hierauf eine Vorderseiten-Kontaktschicht 5, dann eine aus amorphem Silizium (a-Si) gebildete erste Solarzellenkomponente 7, hierauf einen Zwischenreflektor 9, dann eine aus mikrokristallinem Silizium (μc-Si) gebildete zweite Solarzellenkomponente 11 und schließlich eine Rückseiten-Kontaktschicht 13 und einen Rückseitenreflektor 15. Mit den kurzen schraffierten Pfeilen ist die Rückreflexion jeweils eines Teils der einfallenden Strahlung am Zwischenreflektor 9 bzw. am Rückseitenreflektor 15 symbolisiert.The thin-film solar cell 1 includes a (glass) substrate 3 followed by a front-side contact layer 5 , then a first solar cell component formed of amorphous silicon (a-Si) 7 , one on this intermediate reflector 9 , then a second solar cell component formed of microcrystalline silicon (μc-Si) 11 and finally, a backside contact layer 13 and a back reflector 15 , With the short hatched arrows, the back reflection is in each case a part of the incident radiation at the intermediate reflector 9 or at the back reflector 15 symbolizes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der Erfindung wird eine Dünnschicht-Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.With the invention, a thin-film solar cell with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, eine zwischen zwei Komponenten einer sog. Stapelzelle, etwa einer amorphen Solarzellenkomponente und einer mikrokristallinen Solarzellenkomponente, vorgesehene Zwischenreflektorschicht mehrteilig, d. h. aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten, aufzubauen. Hierdurch werden, jedenfalls in vorteilhaften Ausführungen dieses Mehrschicht-Konzepts, folgende Wirkungen erreicht:

  • a) Reflexion von Licht in die der Sonne zugewandten Zelle mit einem besonders effektiven Reflektor mit niedrigem Brechungsindex;
  • b) Reflexion von Licht in die rückseitige Zelle mit einem besonders effektiven Reflektor mit niedrigem Brechungsindex;
  • c) Verbesserung der initialen elektrischen Eigenschaften der Stapelsolarzelle durch geringe Querleitfähigkeit;
  • d) Verbesserung des Degradationswertes und damit der stabilisierten elektrischen Kenndaten von Solarzellen und -modulen (insbesondere der Wirkungsgrad) durch Einführen einer Anpassungsschicht;
  • e) Verbesserung der Absorption in den dotierten Schichten durch eine erhöhte Bandlücke und damit Erhöhung der Stromerzeugung in der Solarzelle;
  • f) Selektive Reflexion von Licht in dem Wellenlängenbereich, der für die der Sonne zugewandten Zelle in Strom umgewandelt werde kann. Die Reflexion von Licht in dem Wellenlängenbereich, der für die der Sonne abgewandten Zelle relevant ist, ist entsprechend minimiert, um Verluste, bzw. geringere Stromausbeuten zu verhindern. Für eine a-Si/μc-Si-Tandemzelle bedeutet dies z. B. hohe Reflexion nur bis zu einer Wellenlänge von 700 nm.
The invention includes the idea of constructing an intermediate reflector layer provided in several parts between two components of a so-called stacked cell, such as an amorphous solar cell component and a microcrystalline solar cell component, ie, of a plurality of superimposed partial layers. In this way, at least in advantageous embodiments of this multi-layer concept, the following effects are achieved:
  • a) reflection of light into the solar facing cell with a particularly effective reflector with low refractive index;
  • b) reflection of light in the back cell with a particularly effective low refractive index reflector;
  • c) improvement of the initial electrical properties of the stacked solar cell by low transverse conductivity;
  • d) improving the degradation value and thus the stabilized electrical characteristics of solar cells and modules (in particular the efficiency) by introducing an adaptation layer;
  • e) improving the absorption in the doped layers by means of an increased band gap and thus increasing the power generation in the solar cell;
  • f) Selective reflection of light in the wavelength range that can be converted into electricity for the solar facing cell. The reflection of light in the wavelength range which is relevant for the cell facing away from the sun is correspondingly minimized in order to prevent losses or lower current yields. For an a-Si / μc-Si tandem cell this means z. B. high reflection only up to a wavelength of 700 nm.

Durch das Zusammenwirken der genannten Faktoren lässt sich insgesamt ein höherer Gesamtwirkungsgrad durch Gewinn in den wesentlichen Solarzellkennwerten (Strom, Spannung und Füllfaktor) erzielen, bei gleichzeitig geringen Produktionskosten.Through the interaction of these factors, overall a higher overall efficiency can be achieved by gaining in the essential solar cell parameters (current, voltage and fill factor), at the same time as low production costs.

Aus derzeitiger Sicht bevorzugt ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Tandem-Zelle, speziell mit einer im Wesentlichen aus amorphem Silizium aufgebauten ersten Solarzellenkomponente und einer im Wesentlichen aus mikrokristallinem Silizium aufgebauten zweiten Solarzellenkomponente. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch bei sogenannten Stapelzellen anderen Aufbaus einsetzbar, also beispielsweise zwischen zwei amorphen oder zwischen zwei mikrokristallinen Solarzellenkomponenten.From a current point of view, preference is given to a tandem cell constructed according to the invention, specifically with a first solar cell component constructed essentially of amorphous silicon and a second solar cell component constructed essentially of microcrystalline silicon. In principle, however, the invention can also be used in so-called stacked cells of a different construction, that is, for example, between two amorphous or between two microcrystalline solar cell components.

In einer Ausführung der Erfindung ist mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine mikrokristalline Siliziumoxidschicht. In einer Ausgestaltung sind als Teilschichten mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte oder umdotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht vorgesehen.In one embodiment of the invention, at least one of the partial layers of the intermediate reflector layer is a microcrystalline silicon oxide layer. In one embodiment, at least one p-doped and one n-doped or re-doped microcrystalline silicon oxide layer are provided as partial layers.

In einer weiteren Ausführung ist mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine mikrokristalline Siliziumschicht. In einer Ausgestaltung gehören hierzu mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht.In a further embodiment, at least one of the partial layers of the intermediate reflector layer is a microcrystalline silicon layer. In one embodiment, this includes at least one p-doped and one n-doped silicon layer.

In einer ersten zweckmäßigen Kombination der vorgenannten Ausführungen ist zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Siliziumoxidschicht als Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine n-dotierte oder undotierte mikrokristalline Siliziumschicht angeordnet.In a first expedient combination of the aforementioned embodiments, an n-doped or undoped microcrystalline silicon layer is arranged between a p-doped and an n-doped silicon oxide layer as partial layers of the intermediate reflector layer.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Zwischenreflektorschicht und der ersten Solarzellenkomponente eine Anpassungsschicht vorgesehen ist, welche insbesondere aus n-dotiertem mikrokristallinem Silizium besteht.A further embodiment of the invention provides that between the intermediate reflector layer and the first solar cell component, an adaptation layer is provided, which consists in particular of n-doped microcrystalline silicon.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die erste Solarzellenkomponente als in Gebrauchslage unterste Schicht, benachbart zur Zwischenreflektorschicht oder der Anpassungsschicht, eine n-dotierte amorphe Siliziumschicht auf.In a further embodiment of the invention, the first solar cell component as an in-use lowest layer, adjacent to the intermediate reflector layer or the matching layer, an n-doped amorphous silicon layer.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die vorgeschlagene Dünnschicht-Solarzelle mehr als zwei Solarzellenkomponenten, wobei insbesondere zwischen zwei benachbarten, spezieller jeder ersten und jeweils darunterliegenden zweiten Solarzellenkomponente, eine aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten aufgebaute Zwischenreflektorschicht vorgesehen ist. According to a further embodiment of the invention, the proposed thin-film solar cell comprises more than two solar cell components, wherein in particular between two adjacent, more specifically each first and respectively underlying second solar cell component, an intermediate reflector layer constructed of a plurality of superimposed sub-layers is provided.

In einer weiteren, technologisch vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die jeweiligen Absorberschichten der ersten und/oder der zweiten Solarzellenkomponente und die Teilschichten der Zwischenreflektorschicht prozess-einheitlich mittels eines zusammenhängenden Abscheidungsverfahren, insbesondere durch PECVD, gebildet sind.In a further, technologically advantageous embodiment, it is provided that the respective absorber layers of the first and / or the second solar cell component and the partial layers of the intermediate reflector layer are formed in a process-uniform manner by means of a coherent deposition method, in particular by PECVD.

In einer speziellen Ausführung des vorgeschlagenen Aufbaus sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente, in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Silizumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet.In a specific embodiment of the proposed construction, a p-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged in the position of use over the second solar cell component, in this order.

In einer weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet.In a further embodiment, in the position of use, a p-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged above the second solar cell component in this order.

In einer noch weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente, in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet.In a still further embodiment, in the position of use over the second solar cell component, in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline layer Silicon oxide layer arranged.

Eine weitere Ausführung sieht vor, dass in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht sowie eine erste n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht und eine zweite n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind, wobei sich die Dotierungen der ersten und zweiten n-dotierten mikrokristallinen Siliziumoxidschicht voneinander unterscheiden.A further embodiment provides that in the position of use over the second solar cell component in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and a first n-doped microcrystalline silicon oxide layer and a second n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged the dopings of the first and second n-doped microcrystalline silicon oxide layers differ from one another.

In einer noch weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet.In a still further embodiment, in the position of use over the second solar cell component in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, a p-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it:

1 schematisch den Schichtaufbau einer bekannten Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ mit Zwischenreflektor, 1 schematically the layer structure of a known thin-film solar cell tandem-type with intermediate reflector,

2 schematisch den Schichtaufbau einer weiteren Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ, 2 schematically the layer structure of another thin-film solar cell of the tandem type,

3 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 3 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

4 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 4 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

5 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 5 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

6 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 6 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

7 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 7 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

8 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 8th 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

9 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, 9 1 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention,

10 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle und 10 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention and

11 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle. 11 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention.

Da die Figuren aufgrund der in ihnen enthaltenen Benennung der einzelnen Schichten weitgehend selbsterklärend sind und angesichts dieser Benennungen auch auf Bezugsziffern verzichtet werden konnte, beschränken sich die nachfolgenden Erläuterungen im wesentlichen auf Hinweise zu bestimmten Modifikationen bzw. Unterschieden. Im Übrigen wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen rein schematisch und nicht maßstäblich sind und sich in der Praxis zwischen verschiedenen Schichten „fließende” Übergänge hinsichtlich der Schichtzusammensetzung und -struktur ergeben können, also nicht im jedem Falle exakt definierte Schicht-Interfaces vorliegen.Since the figures are largely self-explanatory due to the naming of the individual layers contained therein and could be dispensed with reference numerals in view of these terms, the following explanations are essentially limited to references to certain modifications or differences. Incidentally, it is pointed out that the representations are purely schematic and not to scale, and that in practice "flowing" transitions with respect to the layer composition and structure may result between different layers, ie, not exactly defined layer interfaces are present in each case.

In 2 ist ein typischer Zellstapel einer Tandemzelle aus amorpher (a-Si) und mikrokristalliner (μc-Si) Solarzellenkomponente gezeigt. Auf dem in Gebrauchslage der Sonne zugewandten Frontglas („Glas”) befindet sich eine transparent leitfähige Schicht, (in diesem Beispiel ZnO, hergestellt mittels LPCVD. Danach folgt eine a-Si-Zelle mit p-dotierter a-SiC-, a-SiC-Buffer, i-a-Si-, n-dotierter a-Si- und n-dotierter μc-Si-Schicht. Danach folgt die mikrokristalline Solarzelle mit p-dotierter μc-Si, i-μc-Si- und n-dotierter Oxidschicht. Letztere kann auch aus n-a-Sie oder n-μc-Si bestehen. Auf der Rückseite folgt eine transparent leitfähige Schicht (hier ZnO hergestellt mittels LPCVD) als Rückkontakt. Dahinter wird ein Reflektor aufgebracht (hochreflektive weiße Farbe, weiße Folie, metallische Reflektoren o. ä.), der hier nicht gezeigt ist.In 2 For example, a typical cell stack of a tandem cell of amorphous (a-Si) and microcrystalline (μc-Si) solar cell component is shown. On the front glass ("glass") facing the sun, there is a transparent conductive layer (in this example ZnO, produced by means of LPCVD), followed by an a-Si cell with p-doped a-SiC, a-SiC I-Si, n-doped a-Si and n-doped μc-Si layer, followed by the microcrystalline solar cell with p-doped μc-Si, i-μc-Si and n-doped oxide layer. The latter can also consist of n-1 or n-μc-Si, followed by a transparent conductive layer (here ZnO produced by LPCVD) as a back contact, followed by a reflector (highly reflective white color, white foil, metallic reflectors, etc.). ä.), which is not shown here.

Gemäß 3 ist eine Dünnschichtsilizium-Tandemzelle, wie vorstehend, mit einer Zwischenreflektorschicht, bestehend aus drei verschiedenen Schichten, versehen. Sie besteht aus einer n-μc-SiOx-, einer n-μc-Si- und einer p-μc-SiOx-Schicht. Die Oxidschichten beinhalten dabei explizit eine kristalline Phase, wobei man zwischen silizium- und oxidreichen Teilbereichen unterscheiden kann.According to 3 For example, a thin film silicon tandem cell is provided, as above, with an intermediate reflector layer consisting of three different layers. It consists of an n-μc-SiOx, an n-μc-Si and a p-μc-SiOx layer. The oxide layers thereby explicitly include a crystalline phase, it being possible to distinguish between silicon-rich and oxide-rich partial regions.

Durch den niedrigen Brechungsindex der n-μc-SiOx-Schicht ist es möglich, diese sehr dünn zu gestalten und gleichzeitig eine Reflexionswirkung zu erzielen. Die n-μc-Si-Schicht trägt wesentlich zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Zelle bei. Da letztere jedoch über eine relativ hohe Querleitfähigkeit verfügt, wird sie durch je eine n- und eine p-SiOx-Schicht, mit niedriger Querleitfähigkeit, von den intrinsischen Zellmaterialien (i-a-Si und i-μc-Si) abgeschirmt. Dadurch werden elektrische Verluste in beiden Komponenten verringert.Due to the low refractive index of the n-μc-SiOx layer, it is possible to make these very thin and at the same time to achieve a reflection effect. The n-μc-Si layer contributes significantly to improving the long-term stability of the cell. However, since the latter has a relatively high transverse conductivity, it is shielded by one n- and one p-type SiO x layer, with low transverse conductivity, of the intrinsic cell materials (i-a-Si and i-μc-Si). This reduces electrical losses in both components.

Die verwendeten Schichten haben in einer zweckmäßigen Ausführung folgende Grundeigenschaften: n-SiOx n-μc-Si p-SiOx Dicke [nm] 10–100 5–50 5–100 Brechungsindex n (bei Wellenlänge 500 nm) 1,55–2,2 3,5–4,5 1,9–2,8 Leitfähigkeit [S/cm] 10–6–10–1 10–6–1 10–6–10–1 Dotierstoffanteil in der Schicht [%] 0,1–3 0,1–3 0,1–3 Sauerstoffanteil [%] 20–75 0–10 0–50 Siliziumanteil [%] 25–80 > 70% > 40% Ramankristallinität [%] 20–90% 50–90% 20–90% Gasflussverhältnis SiH4:Dotiergas 1–30 1–30 1–30 The layers used have the following basic properties in an expedient embodiment: n-SiOx n-c-Si p-SiOx Thickness [nm] 10-100 5-50 5-100 Refractive index n (at wavelength 500 nm) 1.55 to 2.2 3.5-4.5 1.9-2.8 Conductivity [S / cm] 10 -6 -10 -1 10 -6 -1 10 -6 -10 -1 Dotierstoffanteil in the layer [%] 0.1-3 0.1-3 0.1-3 Oxygen content [%] 20-75 0-10 0-50 Silicon content [%] 25-80 > 70% > 40% Raman crystallinity [%] 20-90% 50-90% 20-90% Gas flow ratio SiH4: doping gas 1-30 1-30 1-30

Die Herstellung der Schichten erfolgt in einer plasmagestützten Abscheidung aus der Gasphase im Vakuum (PECVD). Der Plasmareaktor wird mit einer Anregungsfrequenz der elektrischen Spannung von 40 MHz betrieben. Prozessdrücke liegen zwischen 1 und 10 mbar. Der Plattenabstand im Plasmareaktor beträgt etwa 10–30 mm. Bei höheren Depositionsdrücken ist ein Abstand von auf 10–20 mm sinnvoll. Die Leistungsdichte beträgt bei den beschriebenen Schichten zwischen 0,03 und 0,2 W/cm2.The layers are produced in a plasma-assisted deposition from the gas phase in a vacuum (PECVD). The plasma reactor is operated at an excitation frequency of the electrical voltage of 40 MHz. Process pressures are between 1 and 10 mbar. The plate spacing in the plasma reactor is about 10-30 mm. At higher deposition pressures, a distance of 10-20 mm makes sense. The power density in the described layers is between 0.03 and 0.2 W / cm 2 .

Insgesamt lässt sich die Schicht auch in anderen Depositionssystemen und bei anderen Anregungsfrequenzen herstellen. Daneben sind insbesondere auch alternative Anregungsformen wie ICP-, ECR-, Mikrowellen- oder Hohlkathoden-Plasma oder Hot-Wire-Verfahren möglich. Die Prozessparameter können dadurch variieren.Overall, the layer can also be produced in other deposition systems and at other excitation frequencies. In addition, alternative forms of excitation such as ICP, ECR, microwave or hollow cathode plasma or hot-wire method are possible in particular. The process parameters can vary as a result.

Beim in 4 gezeigten Aufbau ist die n-μc-Si-Anpassungsschicht im Vergleich zu 3 entfernt. Dadurch steigt das Reflexionsvermögen des IR.When in 4 The structure shown is the n-μc-Si matching layer compared to 3 away. This increases the reflectivity of the IR.

Beim in 5 gezeigten Aufbau ist die p-Oxid-Schicht im Vergleich zu 3 durch eine p-μc-Si-Schicht ersetzt. Dadurch kann der Füllfaktor der Solarzelle sinken. Außerdem verringert sich die Reflexion zurück in die Topzelle, als auch die Rückreflexion aus Richtung der Bottomzelle (nicht umgesetztes Licht, das die Zelle zum zweiten Mal durchquert). Zudem erhöht sich die Absorption in der p-Schicht durch die geringere Bandlücke des p-μc-Si.When in 5 The structure shown is the p-oxide layer compared to 3 replaced by a p-μc-Si layer. This can reduce the fill factor of the solar cell. In addition, the reflection decreases back into the top cell, as well as the back reflection from the bottom cell direction (unreacted light that traverses the cell for the second time). In addition, the absorption in the p-layer increases due to the smaller band gap of the p-μc-Si.

Beim in 6 gezeigten Aufbau ist die n-μc-Si-Anpassungsschicht im Vergleich zu 5 entfernt.When in 6 The structure shown is the n-μc-Si matching layer compared to 5 away.

Beim in 7 gezeigten Aufbau ist im Vergleich zu 3 zwischen n-μc-Si- und p-SiOx-Schicht eine weitere n-SiOx-Schicht mit n-μc-Si-Anpassungsschicht eingefügt, wobei die eingefügten Schichten nicht die gleichen Eigenschaften haben müssen wir die übrigen. Durch das Einfügen steigt das Reflexionsvermögen des IR. Zudem lässt sich durch geschickte Wahl von Dicken und Brechungsindizes der IR-Schichten die Abhängigkeit der Reflektiviät von der Wellenlänge bewusst verändern, um die Reflexion in bestimmten Wellenlängenbereich zu betonen. Zu diesem Zweck lassen sich auch weitere Schichten in den IR einfügen.When in 7 shown construction is compared to 3 between n-μc-Si and p-SiOx layer, another n-SiOx layer with n-μc-Si matching layer inserted, wherein the inserted layers do not have the same properties we have the rest. Insertion increases the reflectivity of the IR. In addition, by skillful choice of thicknesses and refractive indices of the IR layers, the dependence of the reflectivity on the wavelength can be deliberately changed in order to emphasize the reflection in certain wavelength range. For this purpose, further layers can be inserted in the IR.

Beim in 8 gezeigten Aufbau ist im Vergleich zu 3 die n-SiOx-Schicht in zwei Teilschichten unterteilt, wobei sich diese in ihren Eigenschaften unterscheiden. Dadurch lässt sich z. B. ein IR herstellen, der an der sonnenzugewandten Grenzfläche einen sehr niedrigen Brechungsindex besitzt. Darauf folgt dann beispielsweise eine zweite Schicht mit höherem Brechungsindex und höherer Leitfähigkeit.When in 8th shown construction is compared to 3 subdivides the n-SiO x layer into two sub-layers, these differing in their properties. This can be z. B. produce an IR, which has a very low refractive index at the sun-facing interface. This is then followed, for example, by a second layer with a higher refractive index and higher conductivity.

Beim in 9 gezeigten Aufbau folgt im Vergleich zu 3 auf die n-μc-Si-Anpassungsschicht eine p-μc-Si-Schicht vor der p-SiOx-Schicht. Da sich die p-μc-Si-Schicht höher dotieren lässt, wird der Tunnelübergang zwischen den beiden Zellen verbessert. Dadurch steigt der Füllfaktor der Zellkennlinie, daneben reduziert sich jedoch der erzeugte Strom, da die Absorption in den Dotierschichten steigt.When in 9 shown structure follows in comparison to 3 on the n-μc-Si matching layer, a p-μc-Si layer in front of the p-SiOx layer. Since the p-μc-Si layer can be doped higher, the tunnel junction between the two cells is improved. As a result, the filling factor of the cell characteristic curve increases, but the generated current is reduced as the absorption in the doping layers increases.

Beim in 10 gezeigten Aufbau wird im Vergleich zu 3 auf die n-μc-Si-Schicht vor dem IR verzichtet.When in 10 shown construction is compared to 3 omitted the n-μc-Si layer before the IR.

Beim in 11 gezeigten Aufbau wird im Vergleich zu 3 auf die n-a-Si- und die n-μc-Si-Schicht vor dem IR verzichtet.When in 11 shown construction is compared to 3 waived the na-Si and the n-μc-Si layer before the IR.

Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung.Within the scope of expert action, further refinements and embodiments of the method and apparatus described here by way of example only arise.

Claims (15)

Dünnschicht-Solarzelle (1), mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat (3) angeordneten ersten Solarzellenkomponente (7), insbesondere auf Basis von amorphem Silizium, und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente (11), insbesondere auf Basis von mikrokristallinem Silizium, sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwischenreflektorschicht (9), welche aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten aufgebaut ist.Thin-film solar cell ( 1 ), with one on a transparent front side substrate ( 3 ) arranged first solar cell component ( 7 ), in particular based on amorphous silicon, and a second solar cell component arranged thereon and thus lying in the position of use below the first solar cell component (US Pat. 11 ), in particular based on microcrystalline silicon, as well as between the first and second solar cell component arranged intermediate reflector layer ( 9 ), which is composed of several superimposed sub-layers. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine mikrokristalline Siliziumoxidschicht ist.Thin-film solar cell according to claim 1, wherein at least one of the partial layers of the intermediate reflector layer ( 9 ) is a microcrystalline silicon oxide layer. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2, wobei die Teilschichten mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht umfassen. The thin film solar cell of claim 2, wherein the sublayers comprise at least one p-doped and one n-doped microcrystalline silicon oxide layer. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine mikrokristalline Siliziumschicht ist.Thin-film solar cell according to one of the preceding claims, wherein at least one of the partial layers of the intermediate reflector layer ( 9 ) is a microcrystalline silicon layer. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 4, wobei die Teilschichten eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht umfassen.Thin-film solar cell according to claim 4, wherein the sub-layers comprise a p-doped and an n-doped silicon layer. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 3 und 4, wobei zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Siliziumoxidschicht als Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht angeordnet ist.Thin-film solar cell according to claim 3 and 4, wherein between a p-doped and an n-doped silicon oxide layer as partial layers of the intermediate reflector layer ( 9 ) an n-doped microcrystalline silicon layer is arranged. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Zwischenreflektorschicht (9) und der ersten Solarzellenkomponente (7) eine Anpassungsschicht vorgesehen ist, welche insbesondere aus n-dotiertem mikrokristallinem Silizium besteht.Thin-film solar cell according to one of the preceding claims, wherein between the intermediate reflector layer ( 9 ) and the first solar cell component ( 7 ) an adaptation layer is provided, which consists in particular of n-doped microcrystalline silicon. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 5, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Silizumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.Thin-film solar cell according to claim 2 and 5, wherein in the position of use over the second solar cell component ( 11 ), in this order, a p-type microcrystalline silicon layer, an n-type microcrystalline silicon layer and an n-type microcrystalline silicon oxide layer are arranged. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 4, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.Thin-film solar cell according to claim 2 and 4, wherein in the position of use over the second solar cell component ( 11 ), in this order, a p-type microcrystalline silicon layer and an n-type microcrystalline silicon oxide layer are arranged. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 4, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.Thin-film solar cell according to claim 2 and 4, wherein in the position of use over the second solar cell component ( 11 ), in order, a p-type microcrystalline silicon oxide layer, an n-type microcrystalline silicon layer, an n-type microcrystalline silicon oxide layer, an n-type microcrystalline silicon layer and an n-type microcrystalline silicon oxide layer are arranged. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht sowie eine erste n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht und eine zweite n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind, wobei sich die Dotierungen der ersten und zweiten n-dotierten mikrokristallinen Siliziumoxidschicht voneinander unterscheiden.Thin-film solar cell according to claim 2, wherein in the position of use over the second solar cell component ( 11 ), in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and a first n-doped microcrystalline silicon oxide layer and a second n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged, wherein the dopants of the first and second n-doped microcrystalline Silicon oxide layer differ from each other. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 3 und 5, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.Thin-film solar cell according to claim 3 and 5, wherein in the position of use over the second solar cell component ( 11 ), in this order, a p-type microcrystalline silicon oxide layer, a p-type microcrystalline silicon layer, an n-type microcrystalline silicon layer and an n-type microcrystalline silicon oxide layer are arranged. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Solarzellenkomponente (7) als in Gebrauchslage unterste Schicht, benachbart zur Zwischenreflektorschicht (9) oder der Anpassungsschicht, eine n-dotierte amorphe Siliziumschicht aufweist.Thin-film solar cell according to one of the preceding claims, wherein the first solar cell component ( 7 ) as in the position of use lowermost layer, adjacent to the intermediate reflector layer ( 9 ) or the matching layer, an n-doped amorphous silicon layer. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Absorberschichten der ersten und/oder der zweiten Solarzellenkomponente (7; 11) und die Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) prozess-einheitlich mittels eines zusammenhängenden Abscheidungsverfahren, insbesondere durch PECVD, gebildet sind.Thin-film solar cell according to one of the preceding claims, wherein the respective absorber layers of the first and / or the second solar cell component ( 7 ; 11 ) and the sub-layers of the intermediate reflector layer ( 9 ) are formed uniformly by means of a coherent deposition process, in particular by PECVD. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche mehr als eine erste und/oder zweite Solarzellenkomponente aufweist, wobei mindestens zwischen einigen benachbarten Solarzellen-Komponenten, insbesondere zwischen jeder ersten und jeweils darunterliegenden zweiten Solarzellenkomponente, eine aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten aufgebaute Zwischenreflektorschicht vorgesehen ist.Thin-film solar cell according to one of the preceding claims, which has more than one first and / or second solar cell component, wherein between at least some adjacent solar cell components, in particular between each first and respectively underlying second solar cell component, an intermediate reflector layer constructed of a plurality of superimposed sub-layers is provided.
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