DE202011104896U1

DE202011104896U1 - Struktur für ein Hocheffizienz-CIS/CIGS-basiertes Tandemphotovoltaikmodul

Info

Publication number: DE202011104896U1
Application number: DE202011104896U
Authority: DE
Original assignee: CM Manufacturing Inc
Current assignee: CM Manufacturing Inc
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: CN202423306U; US20120204939A1; TWM432144U

Abstract

Ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul, das folgende Merkmale aufweist: ein unteres Bauelement, das auf einem Substrat mit einer Länge von ungefähr 0,61 Meter und mehr und einer Breite von ungefähr 1,52 Meter und mehr gebildet ist, wobei das untere Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein erstes Elektrodenmaterial, das über dem Substrat liegend gebildet ist; einen ersten photovoltaischen Übergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1 eV bis 1,2 eV, der über dem Metallmaterial liegend gebildet ist; und ein zweites Elektrodenmaterial, das über dem ersten photovoltaischen Übergang liegend gebildet ist; ein oberes Bauelement, das unabhängig von dem unteren Bauelement auf einem Superstrat gebildet ist, wobei das obere Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein drittes Elektrodenmaterial, das unter dem Superstrat liegend gebildet ist; einen zweiten photovoltaischen Übergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 2,0 eV, der unter dem dritten Elektrodenmaterial liegend gebildet ist; und ein viertes Elektrodenmaterial, das...

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht Priorität auf die US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 61/376,229, eingereicht am 23. August 2010, die gemeinsam zugewiesen ist und durch Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul. Genauer gesagt schafft die vorliegende Erfindung eine Struktur zum Herstellen eines Hocheffizienz-Photovoltaikmoduls. Ausschließlich beispielhaft liefert die vorliegende Erfindung Mehfachübergangs-CIS/CIGS-basierte Dünnfilm-Photovoltaik-Tandemzellen großer Größe und hoher Effizienz, z. B. 165 cm × 65 cm oder größer mit einer kombinierten Umwandlungseffizienz von 18% oder mehr.
Die Energie wird in Form von petrochemischer, hydroelektrischer, Nuklear-, Wind-, Biomasse-, Solar- und primitiveren Formen geliefert, wie z. B. Holz und Kohle. Über das letzte Jahrhundert war die moderne Zivilisation von petrochemischer Energie als wichtiger Energiequelle abhängig. Petrochemische Energie umfasst Gas und Öl. Schwerere Formen von Petrochemikalien können ferner verwendet werden, um an einigen Orten Häuser zu heizen. Leider ist der Vorrat an petrochemischem Brennstoff begrenzt und im Wesentlichen fest basierend auf der Menge, die auf dem Planeten Erde verfügbar ist. Zusätzlich dazu, da immer mehr Menschen Erdölprodukte in immer größeren Mengen verwenden, wird dies immer mehr zu einem knappen Rohstoff.
In letzter Zeit waren umweltfreundliche und erneuerbare Energiequellen erwünscht. Ein Beispiel einer sauberen Energiequelle ist Wasserkraft. Wasserkraft wird aus elektrischen Generatoren gewonnen, die durch den Fluss von Wasser betrieben werden, das durch Dämme produziert wird. Saubere und erneuerbare Energiequellen umfassen auch Wind, Wellen, Biomasse und Ähnliches. Ein anderer Typ einer sauberen Energie ist Solarenergie.
Solarenergietechnik wandelt im Allgemeinen elektromagnetische Strahlung von der Sonne in andere nützliche Formen thermischer Energie und elektrischer Energie um. Für Anwendungen mit elektrischer Leistung werden häufig Solarzellen verwendet. Obwohl Solarenergie umweltfreundlich ist und bis zu einem gewissen Punkt erfolgreich war, bleiben viele Einschränkungen zu lösen, bevor es weltweit verbreitet verwendet werden kann. Als Beispiel verwendet ein Typ von Solarzellen kristalline Materialien, die aus Halbleitermaterialblöcken erzeugt werden. Diese kristallinen Materialien können verwendet werden, um optoelektronische Bauelemente herzustellen, die Photovoltaik- und Photodioden-Bauelemente umfassen, die elektromagnetische Strahlung in elektrische Leistung umwandeln. Kristalline Materialien sind jedoch häufig kostspielig und schwierig serienmäßig herzustellen. Zusätzlich dazu haben Bauelemente oder Vorrichtungen aus kristallinen Materialien häufig niedrige Energieumwandlungseffizienzen. Andere Typen von Solarzellen verwenden „Dünnfilm”-Technik, um einen Dünnfilm aus photoempfindlichem Material zu erzeugen, das verwendet werden soll, um elektromagnetische Strahlung in elektrische Leistung umzuwandeln. Ähnliche Einschränkungen bestehen bei der Verwendung der Dünnfilmtechnik bei der Herstellung von Solarzellen. Zusätzlich dazu ist die Filmzuverlässigkeit häufig schlecht und kann nicht für lange Zeiträume bei herkömmlichen Umweltanwendungen verwendet werden. Häufig sind Dünnfilme schwierig mechanisch miteinander zu integrieren.
Aus dem oben Erwähnten ist ersichtlich, dass verbesserte Techniken zum Herstellen von photovoltaischen Materialien und daraus resultierenden Bauelementen erwünscht sind.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden eine Struktur zum Bilden eines Hocheffizienz-Photovoltaikmoduls geschaffen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel liefert die Erfindung ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul. Das Modul umfasst ein unteres Bauelement bzw. eine untere Vorrichtung, die auf einem Substrat gebildet ist, mit einer Länge von ungefähr 2 Fuß (0,61 Meter) und mehr und einer Breite von ungefähr 5 Fuß (1,52 Meter) und mehr. Das untere Bauelement umfasst ein erstes Elektrodenmaterial, das über dem Substrat liegend gebildet ist, und einen ersten photovoltaischen Übergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1 eV bis 1,2 eV, der über dem Metallmaterial liegend gebildet ist. Das untere Bauelement umfasst ferner ein zweites Elektrodenmaterial, das über dem ersten photovoltaischen Übergang liegend gebildet ist. Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul umfasst zusätzlich ein oberes Bauelement, das unabhängig von dem unteren Bauelement auf einem Superstrat gebildet ist. Die obere Vorrichtung umfasst ein drittes Elektrodenmaterial, das unter dem Superstrat liegend gebildet ist, und einen zweiten Photovoltaikübergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 2,0 eV, der unter dem dritten Elektrodenmaterial liegend gebildet ist. Das obere Bauelement umfasst ferner ein viertes Elektrodenmaterial, das unter dem zweiten photovoltaischen Übergang liegend gebildet ist. Ferner umfasst das Dünnfilm-Photovoltaikmodul ein Kopplungsmaterial, das konfiguriert ist, um das obere Bauelement an das untere Bauelement zu laminieren, um ein Tandembauelement zu bilden. Das Tandembauelement wandelt elektromagnetische Energie aus einem Sonnenlichtspektrum in elektrischen Strom mit einer Umwandlungseffizienz von 18% und mehr um.
Das untere Bauelement kann konfiguriert sein, um eine untere Schaltung des Tandembauelements zu sein, und das obere Bauelement ist eine zweigesichtige bzw. zweiseitige obere Schaltung des Tandembauelements mit dem Superstrat als eine Abdeckung. Das Tandembauelement wandelt Niedrigenergiephotonen mit einem Spektrum von Infrarot bis Rot in Solarstrahlung in dem unteren Bauelement um und wandelt Hochenergiephotonen mit einem Spektrum von UV bis Grün in Solarstrahlung von beiden Seiten des oberen Bauelements um.
Bei einem anderen spezifischen Ausführungsbeispiel schafft die Erfindung ferner ein Tandemphotovoltaikmodul. Das Tandemphotovoltaikmodul umfasst ein oberes Bauelement, das unabhängig auf einem zweiten Substrat gebildet ist, das im Wesentlichen dieselbe Länge und Breite wie die des ersten Substrats aufweist. Das obere Bauelement umfasst ein zweites, transparentes Elektrodenmaterial, das über dem zweiten Substrat liegend gebildet ist, und ein zweites Absorbermaterial mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 2,0 eV, das über dem zweiten, transparenten Elektrodenmaterial liegend gebildet ist. Das obere Bauelement umfasst ferner ein zweites Emittermaterial, das über dem zweiten Absorbermaterial liegend gebildet ist und ein drittes, transparentes Elektrodenmaterial, das über dem zweiten Emittermaterial liegend gebildet ist. Ferner umfasst das Tandemphotovoltaikmodul ein Kopplungsmaterial, das sandwichartig zwischen dem oberen Bauelement und dem unteren Bauelement angeordnet ist und ein Abdeckungsglas, das über dem oberen Bauelement liegend angeordnet ist. Das Abdeckungsglas ist konfiguriert, um Sonnenlichtstrahlung zugewandt zu sein, das obere Bauelement ist konfiguriert, um zumindest ein erstes Teilsonnenlichtspektrum in einen ersten elektrischen Strom umzuwandeln und ein zweites Teilsonnenlichtspektrum zu übertragen, und das untere Bauelement ist konfiguriert, um das zweite Teilsonnenlichtspektrum in einen zweiten elektrischen Strom umzuwandeln, mit einer kombinierten Umwandlungseffizienz von 18% und mehr.
Viele Vorteile werden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erreicht. Zum Beispiel verwendet die vorliegende Erfindung einen entkoppelten Prozess zum Bilden jeweils einem oberen Bauelement und einem unteren Bauelement vor dem mechanischen Koppeln derselben miteinander, um ein laminiertes Dünnfilm-Photovoltaikmodul zu erzeugen. Sowohl die obere als auch untere Vorrichtung bzw. das Bauelement weisen Startsubstratmaterialien auf, die handelsüblich erhältlich sind, um einen Dünnfilm aus Metall- oder Halbleitertragenden Materialien zu bilden, und sind geeignet für Hochtemperaturglühen in einer spezifischen, chemischen Umgebung. Der Dünnfilm aus halbleitertragendem Material entweder für das obere Bauelement oder das untere Bauelement kann unabhängig verarbeitet werden, um ein Halbleiterdünnfilmmaterial mit gewünschten Charakteristika zu bilden, wie z. B. Atom-Stöchiometrie, Verunreinigungskonzentration, Trägerkonzentration, Dotierung, Energiebandabstand und anderem. Somit kann der Prozess für jedes Bauelement einfacher und weniger komplex optimiert werden. Zum Beispiel umfasst das obere Bauelement ein Halbleiterphotovoltaikabsorbermaterial, das einen Energiebandabstand vorzugsweise innerhalb von 1,8 eV und 1,9 eV trägt und das untere Bauelement enthält ein anderes Halbleiterdünnfilmabsorbermaterial mit einem Energiebandabstand vorzugsweise innerhalb 1,0 eV und 1,2 eV. Zusätzlich dazu verwenden die vorliegende Struktur ein Kopplungsmaterial, das zumindest teilweise optisch transparent ist, um das obere Bauelement mit dem unteren Bauelement zu verbinden, um ein Modul mit einer Tandemzellstruktur zu bilden. Daher, wenn Sonnenlicht über das obere Bauelement scheint, werden Photonen in einem Teilsonnenlichtspektrum durch das obere Bauelement absorbiert und in elektrischen Strom umgewandelt, und zumindest Photonen eines anderen Teilsonnenlichtspektrums können ebenfalls durch das Kopplungsmaterial übertragen werden und durch das untere Bauelement absorbiert und in elektrischen Strom umgewandelt werden. Andere Vorteile umfassen das Verwenden von umweltfreundlichen Materialien, die relativ gesehen weniger toxisch sind als andere Dünnfilmphotovoltaikmaterialien, und hochtemperaturtolerantes, transparentes, leitfähiges Material zum Anpassen des verbesserten thermischen Absorberprozesses und Beibehalten einer angemessenen optischen Transparenz danach. Abhängig von dem Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere der Vorteile erreicht werden. Diese und andere Vorteile werden in der vorliegenden Beschreibung und insbesondere nachfolgend detaillierter beschrieben.
Ausschließlich beispielhaft umfassen die Materialien Absorbermaterialien, die aus Kupfer-Indium-Disulfid-Arten, Kupfer-Zinn-Sulfid, Eisen-Disulfid oder anderen bestehen, für Einzelübergangszellen oder Mehrfachübergangszellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Tandemzellstruktur zum Bilden eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls darstellt;
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Tandemzellstruktur für ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul darstellt;
3 ist ein Diagramm, das ein Sonnenlichtspektrum und entsprechende Bänder darstellt, die durch das obere Bauelement und das untere Bauelement des Tandemmoduls erfasst werden;
4 ist ein exemplarisches Optikübertragungsdiagramm eines transparenten, leitfähigen Probenoxidelektrodenmaterials;
5 ist ein exemplarisches IV-Charakteristikdiagramm, das die Aufzeichnungseffizienz für ein oberes Probenbauelement mit 20 cm × 20 cm darstellt;
6 ist ein exemplarisches IV-Charakteristikdiagramm, das die Aufzeichnungseffizienz für ein unteres Probenbauelement mit 20 cm × 20 cm darstellt;
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht eines laminierten Probenmoduls mit Feldabmessungen von 165 cm × 65 cm darstellt; und
8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Herstellungsverteilung der Effizienz einer photovoltaischen Schaltung für Module mit einer Feldabmessung von 165 cm × 65 cm darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden eine Struktur zum Bilden hocheffizienter Photovoltaikmodule geschaffen. Genauer gesagt liefert die vorliegende Erfindung hocheffiziente CIS/GIGS-basierte Dünnfilm-Photovoltaikfelder mit 165 cm × 65 cm oder größerer Größe und Mehrfachübergangs-Tandemzellen mit einer kombinierten Schaltungseffizienz von 18% oder höher. Die Mehrfachübergangs-Tandemzellen werden hergestellt durch Koppeln zumindest eines oberen Bauelements und eines unteren Bauelements, wobei jedes Bauelement ein Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial aufweist, das durch Kupfer-Indium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Disulfid oder diese gemischt mit Gallium und anderen Materialien mit einer entsprechend optimierten Stöchiometrie und Energiebandabstand aufweist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um andere Typen von halbleitenden Dünnfilmen oder Mehrschichten zu umfassen, die Eisensulfid, Cadmiumsulfid, Zinkselenid und andere aufweisen, sowie Metalloxide, wie z. B. Zinkoxid, Eisenoxid, Kupferoxid und andere.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine bevorzugte Tandemzellstruktur zum Bilden eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit Tandemzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Tandemzellstruktur umfasst eine untere Zelle 10 und eine obere Zelle 20, die wirksam mit der unteren Zelle gekoppelt ist und die mechanisch miteinander über ein Laminatmaterial gekoppelt sind. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel sollen der Ausdruck „untere und obere” nicht einschränkend sein. Im Allgemeinen ist die obere Zelle näher an einer Quelle der elektromagnetischen Strahlung als die untere Zelle. Die obere Zelle empfängt die elektromagnetische (oder einfach das Sonnenlicht) Strahlung, während die untere Zelle ein Teilspektrum des Sonnenlichts empfängt, nachdem es die obere Zelle durchquert hat. Zusätzlich dazu ist die obere Zelle eine zweiseitige Zelle, die Licht absorbieren kann, das von der unteren Zelle und zugeordneten Schnittstellen reflektiert wird. Vorzugsweise werden die obere und untere Zelle getrennt hergestellt und dann miteinander gekoppelt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist jede Zelle in 1 konfiguriert, um alle Dünnfilmmaterialien auf einem Substrat zu bilden. Die Zellstruktur umfasst im Wesentlichen einen Photovoltaik-Übergang, der sandwichartig durch zwei Elektrodenmaterialien eingeschlossen ist. Die untere Zelle umfasst einen Übergang 1 zwischen Elektrode 101 und 102, während die obere Zelle einen Übergang 2 zwischen Elektrode 201 und 202 umfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die untere Elektrode 101 aus einem reflektierenden Material hergestellt sein, das das Substrat überlagert. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die untere Elektrodenschicht ein Aluminiummaterial, Goldmaterial, Silbermaterial, Molybdän, Kombinationen derselben und andere sein. Die anderen Elektroden 102, 201, 202 können aus optisch transparentem oder teilweise transparentem Material hergestellt sein. Üblicherweise wird transparentes, leitfähiges Material, wie z. B. transparentes leitfähiges Oxid (TCO; transparent conductive Oxide) verwendet. Das Substrat kann ein optisch transparentes Feststoffmaterial sein, obwohl bei einigen Ausführungsbeispielen auch nicht transparentes Material verwendet wird. Zum Beispiel kann das Substrat ein Glas, Quarz, Quarzglas oder ein Kunststoff oder Metall, oder Folie, oder ein Halbleiter oder andere Verbundmaterialen sein. Bei einer Implementierung wird ein kostengünstiges Fensterglas (Kalknatriumglas) verwendet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die obere Zelle in 1 einem Glassuperstrat zugeordnet sein, basierend auf dem alle Dünnfilmmaterialien gebildet werden. Das Glassuperstrat ist in seiner grundlegenden Bedeutung auf dem Modul als ein Abdeckglas angeordnet, um dem Sonnenlicht oder jeglichen anderen Umgebungsmaterialien zugewandt zu sein. Im Allgemeinen wird Hartglas für das Glassuperstrat des oberen Bauelements verwendet.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das Tandemphotovoltaikmodul vier Anschlüsse T1 bis T4. Alternativ kann das Tandemphotovoltaikmodul auch drei Anschlüsse umfassen, wobei einer derselben eine gemeinsame Elektrode in der Nähe einer Schnittstellenregion zwischen der oberen Zelle und der unteren Zelle gemeinschaftlich verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Mehrfachübergangszelle bzw. Mehrfachverbindungszelle auch zwei Anschlüsse umfassen, unter anderem abhängig von der Anwendung. Wenn eine Tandemzellstruktur gebildet wird, können die zwei Anschlüsse der oberen Zelle mit zwei Anschlüssen der unteren Zelle elektrisch in Reihe oder parallel gekoppelt sein, abhängig von den Anwendungen. Beispiele von anderen Zellkonfigurationen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 12/512,978 gegeben, mit dem Titel „Multi-junction Solar Module and Method for Current Matching Between a Plurality of First Photovoltaic Devices and Second Photovoltaic Devices”, eingereicht am 30. Juli 2009, die gemeinsam zugewiesen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst Übergang 1, der die untere Elektrodenschicht in der unteren Zelle überlagert, ein Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial und ein Emittermaterial, das das Absorbermaterial überlagert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial aus Kupfer-Indium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS), kann jedoch auch etwas anderes sein, wie Cu₂SnS₃ und FeS₂ oder andere Metallelemente oder ein Kupfer-Indium-Gallium-Schwefelselenid (CIGSS), abhängig von dem Ausführungsbeispiel. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das Absorbermaterial aus verschiedenen elementaren Materialien in einem richtigen stöchiometrischen Verhältnis und mit bestimmten spezifischen Dotierpegeln vermischt und ordnungsgemäß wärmebehandelt, um einen gewünschten Energiebandabstand in einem Bereich von Eg = 1,0 bis 1,2 eV zu haben. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel wird ein Emittermaterial, das auch Fensterschicht genannt wird, über der Absorberschicht liegend gebildet, nach dem Behandlungsprozess der Absorberschicht. Zusätzlich dazu umfasst die Elektrode 102 eine transparente, leitfähige Oxidschicht, die über der Fensterschicht liegend gebildet ist. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die Fensterschicht ein Cadmiumsulfid oder ein anderes geeignetes Material sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Fensterschicht der unteren Zelle ein n-Typ-Cadmiumsulfid und die Elektrode 102 ist ein transparentes, leitfähiges Oxid, das Zinkoxid oder Zinkoxid dotiert mit Aluminium aufweisen kann, kann jedoch auch etwas anderes sein.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die obere Zelle in 1 einem Glassuperstrat zugeordnet, das auch als ein Abdeckungsglas für das Modul mit Tandemzellen wirkt. Das Glassuperstrat verwendet im Allgemeinen Hartglas. Basierend auf dem Superstrat ist ein Photovoltaikübergang (Übergang 2) sandwichartig zwischen zwei Elektrodenmaterialien angeordnet, Elektrode 202 und Elektrode 201. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfass der Übergang 2 ein Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial und ein Emittermaterial, das das Absorbermaterial überlagert. Das Emittermaterial ist ein n-Typ-Halbleitermaterial, das mit der Elektrode 202 gekoppelt ist, die unter dem Superstrat liegt. Das Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial liegt über der Elektrode 201. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Dünnfilmhalbleiterabsorbermaterial eine p-Typ-Halbleiterschicht mit einem Energiebandabstand in einem Bereich von Eg = 1,7 bis 2,0 eV. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bandabstand zwischen 1,8 eV und 1,9 eV. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die obere p-Typ-Absorberschicht ausgewählt aus CuInS₂, Cu(In,Al)S₂, Cu(In,Ga)S₂ oder anderen geeigneten Materialien. Die Absorberschicht wird hergestellt unter Verwendung geeigneter Techniken, wie z. B. jener, beschrieben in der US Seriennr. 61/,059,253 eingereicht am 5. Juni 2008, die gemeinsam zugewiesen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel sind sowohl Elektrode 201 als auch Elektrode 202 durch ein transparentes, leitfähiges Oxidmaterial (TCO-Material) hergestellt. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die TCO-Schicht ein Material sein, wie z. B. In₂O₃:Sn (ITO), ZnO:Al (AZO), SnO₂:F (TFO), kann aber auch etwas anderes sein. Bei einem anderen, spezifischen Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 201 eine transparente, leitfähige p+-Typ-Schicht sein, die in einer naheliegenden Position ist, um mit der unteren Zelle zu koppeln. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die transparente, leitfähige p+-Typ-Schicht eine ausgezeichnete, elektrische Leitfähigkeit auf, gekennzeichnet durch einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/Quadratzentimeter. Zusätzlich dazu weist die transparente, leitfähige p+-Typ-Schicht ferner eine gewünschte optische Übertragungseigenschaft auf, die in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung zumindest in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 700 bis ungefähr 630 Nanometern (rot, infrarot) zu übertragen und die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 490 bis ungefähr 450 Nanometern (grün, blau, UV) zu filtern. Zum Beispiel verwendet die Elektrode 202 ein TCO-Material, das konfiguriert ist, um temperaturtolerant bis zumindest 600°C zu sein.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Tandemzellstruktur ein Laminatmaterial, um die obere Zelle an die untere Zelle zu binden. Das Laminatmaterial ist zunächst ein optisches Kopplungsmaterial, das zumindest teilweise transparent für Sonnenlicht ist und in der Lage ist, eine feste Bindung zwischen zwei Materialschichten zu bilden. Zweitens sollte es ein Dielektrikum mit einer guten elektrischen Isoliereigenschaft sein. Das Laminatmaterial kann ein Ethylenvinylacetat sein, üblicherweise genannt EVA, Polyvinylacetat, üblicherweise genannt PVA und andere. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel bindet das Laminatmaterial die Elektrode 102 an die Elektrode 201 in der Tandemzellstruktur. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 201 über einem Zwischenglassubstrat liegend gebildet und das Laminatmaterial bindet die Elektrode 102 an eine Unterseite des Zwischenglassubstrats.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Tandemzellstruktur für ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie gezeigt ist, liefert die vorliegende Erfindung ein Mehrfachübergangs-Tandemphotovoltaikmodul 200. Das Modul umfasst ein unteres Bauelement 230 und ein oberes Bauelement 220. Das untere Bauelement 230 ist auf ein Glassubstrat 1 gebaut. Das obere Bauelement 220 ist unabhängig auf ein Glassubstrat 2 gebaut und dann wirksam mit dem unteren Bauelement 230 mechanisch über ein Kopplungsmaterial an eine untere Fläche des Glassubstrats 2 gekoppelt.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel verwendet das untere Bauelement 230 ein Glassubstrat 1, das durch Materialien hergestellt ist, ausgewählt zum Beispiel aus transparentem Glas, Kalknatriumglas und einem anderen optisch transparenten Substrat oder einem anderen Substrat, das möglicherweise nicht transparent ist. Das Glasmaterial kann ferner durch andere Materialien ersetzt sein, wie z. B. ein Polymermaterial, ein Metallmaterial oder ein Halbleitermaterial oder jegliche Kombinationen derselben. Zusätzlich dazu kann das Substrat starr, flexibel oder jegliche Form und/oder Ausbildung sein, abhängig von dem Ausführungsbeispiel. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann das Substrat 1 eine Abmessung von 5 cm × 5 cm, 20 cm × 20 cm oder bis zu 65 cm × 165 cm oder größer sein.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das untere Bauelement 230 eine untere Elektrodenschicht 217, die aus Leitermaterial hergestellt ist, das einen elektrischen Kontakt bildet. Sie trägt ferner eine optische Eigenschaft als ein reflektierendes Material, das über dem Glassubstrat 1 liegt. Die untere Elektrodenschicht 217 kann ein einzelnes, homogenes Material, ein Verbund oder eine Schichtstruktur gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel besteht die untere Elektrodenschicht 217 aus einem Material, das aus Aluminium, Silber, Gold, Molybdän, Kupfer, anderen Materialien und/oder leitfähigen dielektrischen Film(en) und anderen ausgewählt ist. Die untere Elektrodenschicht reflektiert eine elektromagnetische Strahlung, die die eine oder mehreren Zellen durchquert hat, zurück zu der einen oder den mehreren Zellen zum Erzeugen eines elektrischen Stroms über die eine oder die mehreren Zellen.
Wie weiter gezeigt ist, umfasst das untere Bauelement 230 eine untere Absorberschicht 215, die die untere Elektrodenschicht 217 überlagert. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel besteht die Absorberschicht 215 aus einem Dünnfilmhalbleitermaterial mit einem Energiebandabstand in einem Bereich von Eg = 1,0 bis 1,2 eV. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel besteht die untere Absorberschicht 215 aus einem Halbleitermaterial, das aus Cu₂SnS₃, FeS₂ und CuInSe₂ ausgewählt ist. Die untere Absorberschicht 215 weist eine Dicke im Bereich von ungefähr einem ersten bestimmten Betrag zu einem zweiten bestimmten Betrag auf, kann aber auch andere sein. Abhängig von dem Ausführungsbeispiel kann der Photovoltaikabsorber des unteren Bauelements 230 unter Verwendung eines Kupfer-Indium-Selenid-(CIS)-Verbundmaterials oder eines Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-(CIGS)-Verbundmaterials oder eines Kupfer-Indium-Gallium-Schwefelselenid-(CIGSS)-Verbundmaterials gebildet sein.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das untere Absorbermaterial Kupfer-Indium-Selenid („CIS”) und Kupfer-Gallium-Selenid mit einer chemischen Formel von CuIn_xGa₍ _1-x ₎Se₂, wo der Wert von x von 1 (reines Kupfer-Indium-Selenid) bis 0 (reines Kupfer-Gallium-Selenid) variieren kann. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das CIS/CIGS/CIGSS-basiertes Dünnfilmabsorbermaterial durch einen Energiebandabstand gekennzeichnet, bei dem x von 1,0 eV bis ungefähr 1,7 eV variiert, kann jedoch auch andere sein, obwohl der Energiebandabstand vorzugsweise zwischen ungefähr 1,0 bis 1,2 eV liegt. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel können die CIS/CIGS/CIGSS-Strukturen jene umfassen, die in den US-Patenten Nr. 4,611,091 und 4,612,411 beschrieben sind, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, sowie andere Strukturen.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das untere Bauelement 230 ferner eine untere Fensterschicht oder einen Emitter 213, der bzw. die die untere Absorberschicht 215 überlagert, und eine untere, transparente, leitfähige Oxidschicht 211, die die untere Fensterschicht 213 überlagert. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die untere Fensterschicht 213 aus einem Material hergestellt, ausgewählt aus Cadmiumsulfid, Cadmiumzinksulfid oder anderen geeigneten Materialien. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfassen andere n-Typ-Verbundhalbleitermaterialien folgende, sind aber nicht auf diese begrenzt: n-Typ-Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter, wie z. B. Zinkselenid, Cadmiumselenid, aber auch andere. Die untere, transparente Leiteroxidschicht 211 ist Indiumzinnoxid oder andere geeignete Materialien, die zumindest teilweise ein Sonnenlichtspektrum (das durch ein oder mehrere obere Bauelemente tritt) in das untere Absorbermaterial 215 überträgt zum Umwandeln in elektrischen Strom darin. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann über der unteren, transparenten Leiteroxidschicht 211 ein optisches Kopplungsmaterial aufgebracht werden zum Koppeln des oberen Bauelements 220. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann das optische Kopplungsmaterial ein Ethylenvinylacetat sein, das allgemein EVA genannt wird, Polyvinylacetat, das allgemein PVA genannt wird, und andere.
Bezug nehmend wiederum auf 2 ist das obere Bauelement 220 des Tandemphotovoltaikmoduls 200 mit dem unteren Bauelement 230 über das Glassubstrat 2 gekoppelt, basierend auf dem das obere Bauelement unabhängig gebildet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Glassubstrat 2 ein sogenanntes Zwischenglas mit einer Dicke, einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche. Die obere Oberfläche ist zum Bilden des oberen Bauelements 220 und die untere Oberfläche ist mit der unteren, transparenten Leiteroxidschicht 211 über das optische Kopplungsmaterial gekoppelt, wie z. B. EVA und Ähnliches. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann das Zwischenglassubstratmaterial ein eisenarmes Glas sein, das eine Dicke von wenigen Millimetern oder weniger aufweist. Das Glassubstrat 2 kann eine Abmessung von 5 cm × 5 cm, 20 cm × 20 cm oder bis zu 65 cm × 165 cm oder mehr sein.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das obere Bauelement 220 eine transparente Leiterschicht (TC-Schicht; transparent conductor) 209, die über dem Glassubstrat 2 liegend gebildet ist. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die transparente Leiterschicht 209 eine elektrische Charakteristik vom p+-Typ haben, unter Verwendung von Materialien, die ausgewählt sind aus ITO, AZO und TFO, unter anderem. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die transparente Leiterschicht vom p+-Typ durch einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/Quadratzentimeter gekennzeichnet und eine optische Übertragung von 90% und mehr für das Hauptsonnenlichtspektrum. Bei einem anderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die transparente Leiterschicht 209 vom p+-Typ durch das Übertragen elektromagnetischer Strahlung in zumindest einem Wellenlängenbereich von ungefähr 700 bis ungefähr 630 Nanometer und Filtern elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 490 bis ungefähr 450 Nanometer gekennzeichnet. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel weist die transparente Leiterschicht 209 vom p+-Typ eine ZnTe-Spezies auf, die ein kristallines ZnTe-Material oder ein polykristallines Material umfasst. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist die transparente Leiterschicht 209 vom p+-Typ mit zumindest einer oder mehreren Spezies dotiert, unter anderem ausgewählt aus Cu, Cr, Mg, O, Al oder N, oder Kombinationen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die transparente Leiterschicht 209 vom p+-Typ gekennzeichnet, um selektiv das Durchtreten von rotem Licht und Ausfiltern von blauem Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 400 Nanometer bis ungefähr 450 Nanometer zu erlauben. Ferner ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die transparente Leiterschicht 209 vom p+-Typ durch einen Energiebandabstand in einem Bereich von Eg = 1,7 bis 2,0 eV gekennzeichnet oder einen Bandabstand ähnlich zu dem einer oberen Absorberschicht, die über der transparenten Leiterschicht 209 vom p+-Typ liegt.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel weist das obere Bauelement 220 eine obere p+-Typ-Absorberschicht 207 auf, die über der transparenten p+-Typ-Leiterschicht 209 liegt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die p-Typ-Absorberschicht aus einem Dünnfilmhalbleitermaterial mit einem Energiebandabstand in einem Bereich von Eg = 1,7 bis 2,0 eV, kann aber auch andere sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bandabstand zwischen 1,8 eV und 1,9 eV. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die obere p-Typ-Absorberschicht ausgewählt sein aus CuInS₂, Cu(In, Al)S₂, Cu(In, Ga)S₂, oder anderen geeigneten Metallverbundmaterialien. Ähnlich zu einer Bildung der unteren Absorberschicht 215 wird die obere Absorberschicht 207 unabhängig unter Verwendung geeigneter Techniken verarbeitet, wie z. B. jener, die in der US-Seriennnummer 61/059,253 beschrieben sind, eingereicht am 5. Juni 2008, die gemeinsam zugewiesen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Bezug nehmend zurück auf 2 umfasst das obere Bauelement 220 ferner eine obere n-Typ-Fensterschicht 205, die die untere p-Typ-Absorberschicht 207 überlagert. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die n-Typ-Fensterschicht ein Emittermaterial, ausgewählt aus einem Cadmiumsulfid (CdS), einem Zinksulfid (ZnS), Zink-Selen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO), Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO) oder anderen und kann mit Unreinheiten dotiert sein für eine charakteristische elektrische Leitfähigkeit, z. B. n⁺-Typ. Das obere Bauelement 220 weist ferner eine obere, transparente, leitfähige Oxidschicht 203 auf, die über der oberen n-Typ-Fensterschicht liegt, gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel. Die transparente, leitfähige Oxidschicht 203 (TCO-Schicht) kann durch Indium-Zinn-Oxid und andere geeignete Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel kann das TCO-Material aus einer Gruppe ausgewählt sein, bestehend aus In₂O₃:Sn (ITO), ZnO:Al (AZO), SnO₂:F (TFO) und anderen.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das Tandemphotovoltaikmodul ferner ein oberes Glas, um die obere, transparente, leitfähige Oxidschicht 203 des oberen Bauelements 220 zu überdecken. Das obere Glas liefert eine geeignete Stütze für mechanischen Stoß und Steifheit. Das obere Glas kann optisch transparent zum Empfangen von Sonnenlicht sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das obere Glas mechanisch mit dem oberen Bauelement 220 über ein Kopplungsmaterial gekoppelt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Kopplungsmaterial EVA sein, kann aber auch andere Materialien sein.
3 ist ein Diagramm, das ein Sonnenlichtspektrum darstellt und entsprechende Bänder, die durch das obere Bauelement und das untere Bauelement des Mehrübergangstandemmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfasst werden. Wie gezeigt ist, liefert die obere Hälfte des Diagramms eine Skizze eines gesamten Spektrums einer Sonnenlichtstrahlungsintensität, die durch ein Photovoltaikmodul verwendet werden soll, um den elektrischen Strom umzuwandeln. Im Hinblick auf die Photonenenergie reicht das Band von unter 1 eV bis über 3,5 eV. Eine herkömmliche Einzelübergangs-Photovoltaikzelle kann jedoch nur den mittleren Abschnitt des Spektrums erfassen, mit einem begrenzten Bereich von ungefähr 1,8 eV bis ungefähr 2,7 eV. Teilweise liegt die Grenze an dem Photovoltaikabsorbermaterial selbst und teilweise an dem Mangel des Zellentwurfs. Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das Modul 300 mit der Mehrübergangs-Tandemzellstruktur zumindest ein oberes Bauelement 310, das mit einem unteren Bauelement 320 gekoppelt ist.
Das obere Bauelement 310 umfasst ein erstes, spezifisches Dünnfilmabsorbermaterial mit einem gewünschten Energiebandabstand im Bereich von ungefähr 1,6 bis 1,9 eV oder breiter das sandwichartig durch die transparenten Leiteroxidelektroden aufgenommen ist, mit einem ähnlichen Energiebandabstand und mit einer ordnungsgemäßen optischen Transmission und elektrischen Leitfähigkeit. Dieses obere Bauelement 310 weist einen ersten photovoltaischen Übergang basierend auf dem ersten Absorber (plus ein Emitter) auf, der vorzugsweise ein „blaues” Band 301 des Sonnenlichtspektrums absorbiert, während ein „rotes” Band 303 des Sonnelichtspektrums ausgefiltert wird. Das gefilterte rote Band 303 darf im Wesentlichen das obere Bauelement 310 durchqueren. Zusätzlich dazu ist das gekoppelte, untere Bauelement 320 konfiguriert, um einen zweiten Dünnfilm-Photovoltaikabsorber zu umfassen, der einen gewünschten Energiebandabstand im Bereich von ungefähr 0,7 bis 1,2 eV aufweist und ferner eine transparente Fensterschicht, die den Absorber überlagert und eine transparent Elektrodenschicht, die die Fensterschicht überlagert. Das untere Bauelement 320 liefert einen anderen photovoltaischen Übergang basierend auf dem zweiten Absorber und Emitter, um das Rotbandlicht zu erfassen und in elektrischen Strom umzuwandeln. Jedes Bauelement, 310 oder 320, weist zwei Anschlüsse zum Ausgeben von elektrischem Strom auf. Abhängig von der Anwendung kann das Modul mit 4 Anschlüssen, 3 Anschlüssen oder 2 Anschlüssen konfiguriert sein, zum Verbessern der Gesamtumwandlungseffizienz des Moduls. Somit ist das Mehrfachübergangsmodul mit der Tandemzellstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung in der Lage, einen breiteren Lichtbereich zu erfassen, wodurch ein Verfahren geliefert wird zum Bilden eines Photovoltaikmoduls mit einer im Wesentlichen hohen Umwandlungseffizienz.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Hocheffizienz-Dünnfilm-Photovoltaikmoduls unter Verwendung einer Tandemzellstruktur ist offenbart. Genauer gesagt können zwei oder mehr Zellen miteinander gekoppelt sein und konfiguriert sein, um ein breiteres Lichtbereichsspektrum zu erfassen, um in elektrischen Strom umzuwandeln. Zusätzlich dazu umfassen Ausführungsbeispiele ein oberes Bauelement und unteres Bauelement unabhängig voneinander, so dass jedes Bauelement einfachere Prozessschritte aufweist, die viel einfacher optimiert werden können, um jeweils eine hohe Umwandlungseffizienz zu erreichen. Entweder das obere Bauelement oder das untere Bauelement weist im Wesentlichen ähnliche Prozesse auf, abgesehen von einigen Auswahlmöglichkeiten von Materialien und Prozessbedingungen, so dass Herstellungsausrüstungen und Materiallisten vereinfacht werden können, um Kosten wesentlich zu reduzieren. Weitere Details im Hinblick auf das Herstellungsverfahren zum Bilden entweder des oberen Bauelements oder des unteren Bauelements unter Berücksichtigung vom Energiebandabstand, Atom-Stöchiometrie, Verunreinigungskonzentration, Trägerkonzentration und Dotierung etc. finden sich in der US-Patentanmeldung Nr. 12/562,086 mit dem Titel „Method and Structure for Thin Film Tandem Photovoltaic Cell” von dem Erfinder Howard W. H. Lee, die der Stion Corporation gemeinsam zugewiesen ist und hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
2 stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Hocheffizienz-Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit Tandemzellstruktur dar. Das Verfahren umfasst das Liefern eines ersten Substrats mit einer Abmessung einer Länge von ungefähr 2 Fuß (0,61 Meter) und mehr und einer Breite von ungefähr 5 Fuß (1,52 Meter) und mehr und eines zweiten Substrats mit einer im Wesentlichen gleichen Abmessung und Form. Zusätzlich dazu umfasst das Verfahren das Bilden eines unteren Bauelements auf dem ersten Substrat. Das untere Bauelement umfasst zumindest einen ersten Dünnfilm-Photovoltaikabsorber mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1 eV bis 1,2 eV. Der erste Dünnfilm-Photovoltaikabsorber kann unter Verwendung eines 2-Schritt-Prozesses gebildet werden durch Sputtern eines Films einer Kombination aus Materialien mit vorausgewählter Stöchiomoetrie und durch thermisches Behandeln des Films in einer vorausgewählten, chemischen Umgebung und einem programmierten Temperaturprofil von 400°C bis zu 600°C. Das Verfahren umfasst ferner die Bildung einer Fensteremitterschicht, die den gebildeten ersten Absorber überlagert, und die Bildung von unteren oder oberen Elektrodenmaterialien als elektrische Kontakte der Zelle. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden eines oberen Bauelements auf dem zweiten Substrat. Das obere Bauelement umfasst zumindest einen zweiten Dünnfilm-Photovoltaikabsorber mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 1,9 eV. Der zweite Dünnfilm-Photovoltaikabsorber kann unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses gebildet werden wie dem für den ersten Absorber, außer dass einige Filmmaterialien oder Dotiermaterialien durch andere ersetzt sind zum Erreichen der charakteristischen optischen/elektrischen Eigenschaften, die für die Tandemzelle erwünscht sind. Das Verfahren umfasst ferner das Laminieren des oberen Bauelements an das untere Bauelement über ein Kopplungsmaterial, das vorausgewählt wurde, um eine gewünschte optische Transparenzeigenschaft und elektrische Isoliereigenschaft zu haben. Ferner umfasst das Verfahren das Bedecken des unteren Bauelements mit einem Abdeckglas und das Hinzufügen von Abdichtmaterial, um Kanten und bestimmte Regionen der Kopplungsschnittstelle zwischen dem oberen Bauelement und dem unteren Bauelement. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das zweite Substrat transparent und konfiguriert, um zu ermöglichen, dass zumindest ein Teilspektrum des Sonnenlichts, das auf das Abdeckglas gestrahlt wird, durch das Kopplungsmaterial zu dem unteren Bauelement übertragen wird und durch den ersten Dünnfilmphotovoltaikabsorber absorbiert wird. Bei einem spezifischen Tandemstruktur-Photovoltaikmodul ist das obere Bauelement konfiguriert, um hauptsächlich Hochenergiephotonen in dem grünen oder blauen oder UV-Licht-Spektrum zu absorbieren, während das Rot- oder Infrarot-Lichtspektrum durchgelassen wird, und das untere Bauelement ist konfiguriert, um das Rot- oder Infrarot-Lichtspektrum so zu absorbieren, dass das breitere Sonnenlichtspektrum zum Umwandeln in elektrischen Strom verwendet wird. Das Tandemstruktur-Photovoltaikmodul mit dem oberen Bauelement, das mit dem unteren Bauelement gekoppelt ist, kann eine kombinierte Photovoltaikeffizienz von 18% oder mehr aufweisen.
Bei einem anderen, spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst die Tandemzellstruktur das Verwenden von einem oder mehreren Typen von transparenten Leiteroxidmaterialien (TCO-Materialien) zum Bilden entweder einer unteren oder oberen Elektrode für jede des oberen Bauelements und des unteren Bauelements. Bei einem Aspekt der TCO-basierten Elektrode ist die Charakteristik der optischen Transparenz ein Problem. 4 ist ein exemplarisches optisches Übertragungsdiagramm eines transparenten, leitfähigen Probenoxidmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, weist das TCO eine optische Transmissionsrate von ungefähr 90% für den Hauptbereich des Sonnenlichts auf und weist sogar ungefähr 60% bei der Wellenlänge von 1200 nm auf. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das TCO aus einer Gruppe ausgewählt sein, bestehend aus: In₂O₃:SN (ITO), ZnO:Al (AZO), SnO₂:F (TFO) oder anderen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die TCO-Schicht strukturiert, um die Effizienz der Dünnfilm-Photovoltaikbauelemente zu maximieren. Eine Dicke der Elektrodenschicht kann von ungefähr 100 nm bis 2 μm reichen, kann aber auch andere sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenschicht vorzugsweise durch einen spezifischen Widerstand von weniger als ungefähr 10 Ohm/cm² gekennzeichnet, gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel. Das Verfahren zum Bilden der TCO-Schicht kann viele Techniken verwenden, einschließlich einer Metall-organischen, chemischen Dampfaufbringung (Metal-organic Chemical Vapor Deposition) durch chemische Badabscheidung (chemical bath deposition). Die TCO-Schicht, die unter Verwendung dieser Verfahren gebildet wird, kann einen Schichtwiderstand von nur ungefähr 6 Ohm/cm² aufweisen. Zusätzlich dazu ist zumindest eine TCO-Elektrode hergestellt, vor dem Verarbeiten des Absorber/Emitter-Films, so dass das TCO, wie es gebildet ist, hochtemperaturtolerant sein sollte. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die TCO-Elektrode, die bei dem oberen Bauelement verwendet wird, das in 1 und in 2 beschrieben ist, eine Temperatur bis zu 600°C tolerieren, ohne einen Mangel bei seiner optischen und elektrischen Eigenschaft zu verursachen. Natürlich können andere Variationen, Modifikationen und Alternativen bestehen.
5 ist ein exemplarisches Solarzellen-IV-Charakteristikdiagramm, das die Aufzeichnungseffizienz darstellt, gemessen bei einem oberen Probenbauelement mit 20 cm × 20 cm gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel umfasst das obere Element eine Kupfer-Indium-Disulfid-Dünnfilm-Photovoltaikzelle. Die Stromdichte der Zelle ist gegen eine Vorspannungsspannung skizziert. Weitere Details der Dünnfilm-Photovoltaikzelle und die Experimentergebnisse sind in der PCT-Anmeldung beschrieben, Nr.: PCT/US09/46161, eingereicht am 3. Juni 2009, die gemeinsam zugewiesen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Kurve schneidet die y-Achse mit einem Kurzschluss-Stromwert bei ungefähr 34,5 mA/cm² und schneidet eine Nullstromlinie mit einer Vorspannung bei ungefähr 0,57 V. Genauer gesagt ist die Absorberschicht, die dem Bauelement zugeordnet ist, ungefähr 1,5 μm dick und weist einen Energiebandabstand von ungefähr 1,8 eV auf. Basierend auf einer Standardformel kann eine Zellumwandlungseffizienz η folgendermaßen geschätzt werden:
wobei J_SC die Kurzschlussstromdichte der Zelle ist, V_OC die Leerlaufvorspannungsspannung ist, die angelegt ist, FF der sogenannte Füllfaktor ist, der als das Verhältnis des maximalen Leistungspunkts geteilt durch die Leerlaufspannung (Voc) und den Kurzschlussstrom (J_SC) definiert ist. Der Füllfaktor für dieses Bauelement ist 0,68. Die Eingangslichtstrahlung (P_in, bei W/m²) unter Standardtestbedingungen (d. h. STC, das eine Temperatur von 25°C und eine Einstrahlung von 1000 W/m² spezifiziert mit einem Luftmasse-1,5 [AM1,5]-Spektrum) und der Oberflächenbereich der Solarzelle (in Quadratmeter). Somit kann eine Effizienz von 13,4% für dieses bestimmte Bauelement genau geschätzt werden, das aus einem solchen Verfahren hergestellt ist.
6 ist ein exemplarisches N-Charakteristikdiagramm, das eine Aufzeichnungseffizienz darstellt, gemessen von einem unteren 20 cm × 20 cm Probenbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Skizze sind der durch Solarzellen erzeugte Strom und Leistung gegen eine Vorspannungsspannung für ein unteres Bauelement skizziert, das gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Wie gezeigt ist, ist die Kurzschlussstromdichte J_SC ungefähr 33,9 mA/cm² und die Leerlaufspannung ist gemessen bei 0,55 V. Der Füllfaktor für dieses Bauelement beträgt ungefähr 0,66. Dies ergibt eine Effizienz von ungefähr 12,3%. Bei diesem Beispiel ist die Absorberschicht durch Kupfer-Indium-Gallium-Diselenidmaterial gebildet und weist einen Energiebandabstand von ungefähr 1,05 eV auf. Weitere Verbesserungen zum Verarbeiten des unteren Bauelements basierend auf einem CISG/CIGSS-Photovoltaikabsorbermaterial haben zu einer Verbesserung der Bauelementeffizienz auf ungefähr 15% geführt. Wenn das obere Bauelement mit einem unteren Bauelement gekoppelt ist, um ein Tandembauelement zu bilden, kann das obere Bauelement, das dem gesamten Sonnelichtspektrum mit voller Intensität zugewandt ist (obwohl es konfiguriert ist, um hauptsächlich Licht von UV bis Grün zu absorbieren, während rotes bis infrarotes Licht durchgelassen wird), im Wesentlichen in voller Effizienz ausgeführt werden, wie oben beschrieben ist. Aber das untere Bauelement kann nur den durchgelassenen Teil des Spektrums mit reduzierter Intensität empfangen, und daher wäre ein effektiver Effizienzbeitrag von dem unteren Bauelement ein kleinerer Teil des Tandembauelements mit einer kombinierten Umwandlungseffizienz, die 18% oder mehr übersteigt.
Bei einem alternativen Beispiel umfasst das Verfahren zum Herstellen eines Hocheffizienz-Photovoltaikmoduls das Laminieren des Tandemmoduls, das ein oberes Bauelement enthält, das über ein unteres Bauelement gekoppelt ist. 7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht eines laminierten Proben- bzw. Muster-Moduls mit einer 165 cm × 65 cm-Feldabmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie gezeigt ist, wird das laminierte Modul von oben betrachtet und durch das obere Abdeckungsglas sind mehrere Zelllinienmuster ersichtlich. Das Modul weist eine Abmessung von ungefähr 165 cm Länge und 65 cm Breite auf. Die Laminierung ist eine vollständig monolithische Integration eines oberen Bauelements, das mechanisch über das untere Bauelement darunter gestapelt ist. Somit ist kein Prozess erforderlich zum Aufreihen, Bandverbinden, Siebdrucken, Zellsortieren und Anordnen oder Testen von herkömmlichen 1 × 1-Zellen. Die Zelllinienstrukturierung wurde während des jeweiligen Bildungsschrittes bestimmter Schichten ausgeführt (untere Elektrodenschicht, Absorberschicht und obere Elektrodenschicht etc.). Dies beseitigt Verbindungen oder Lötverbindungen, die bei herkömmlichen Si-basierten Modulen während der Modulanordnung verwendet werden. Die Abmessungen und andere Gehäusedetails des Feldes (panel) können ohne Weiteres für die Anwendung eines spezifischen PV-Projekts individuell angepasst werden. Zum Beispiel kann bei dem Tandemphotovoltaikfeld das obere Bauelement mit dem unteren Bauelement elektrisch in Reihe gekoppelt sein, so dass ein höherer Zellspannungspegel geliefert wird, oder sie sind elektrisch parallel gekoppelt, so dass der erste elektrische Strom, der durch das untere Bauelement umgewandelt wird, zu dem zweiten elektrischen Strom hinzugefügt wird, der durch das obere Bauelement umgewandelt wird. All diese Vorteile helfen dabei, eine wesentlich bessere Modulzuverlässigkeit und eine viel engere Verteilung bei der Produktabweichung für das Dünnfilm-Tandemmodul zu erzeugen als bei einem herkömmlichen Dünnfilm-Modul oder einem Modul basierend auf einer Polysiliziumzelle.
8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Herstellungsverteilung der Schaltleistungseffizienz für Tandemphotovoltaikmodule mit einer 165 × 65 cm-Feldabmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 8 gezeigt ist, ist ein Schaltungsleistungseffizienzhistogramm skizziert, für Herstellungen der Tandem-Dünnfilm-Photovoltaikmodule mit einer Feldabmessung von 165 cm × 65 cm. Die schmale bzw. enge Herstellungsverteilung des Effizienzhistogramms zeigt an, dass der Herstellungsprozess für die Dünnfilm-Module bei diesen Feldabmessungen sehr konsistent mit einem Ertrag von ungefähr 90% war. Industrielle Standardausrüstungen werden zum Verarbeiten entweder des oberen Bauelements oder des unteren Bauelements mit den niedrigsten Materialkosten verwendet (viel niedriger als ein herkömmliches Modul basierend auf kristallinem Silizium), das die Integration eines monolithischen Feldes mit hoher Zuverlässigkeit umfasst. Die Prozesse haben sich als sehr skalierbar herausgestellt durch Anwenden von Modulgrößen von 5 cm × 5 cm, 20 cm × 20 cm, 65 cm × 165 cm. Der Prozess für jedes (obere oder untere) Bauelement wurde stark vereinfacht im Vergleich zu einem herkömmlichen Dünnfilm-Modul, teilweise da vier Hauptschichten vorhanden sind, die durch jedes Bauelement gehandhabt werden, und nicht 8 bis 10 Schichten. Da zusätzliche Aspekte der Feldverarbeitungseinheitlichkeit ständig Schritt für Schritt verbessert werden sowie eine weitere unabhängige Optimierung der Verarbeitung individueller (oberer oder unterer) Bauelemente, wird die Feldschaltungsleistungseffizienz der Tandem-Module erwartungsgemäß verbessert (gezeigt in gestrichelten Histogrammen) nach dem eingerichteten Standardprozess. Die Leistungsumwandlungseffizienz der Mehrfachübergangs-Tandemdünnfilm-Photovoltaikmodule, die gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, sollte 15% und sogar 18% oder mehr übertreffen unter AM1,5G.
Obwohl das Obige gemäß spezifischen Ausführungsbeispielen dargestellt wurde, gibt es andere Modifikationen, Alternativen und Abweichungen. Es wird darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele nur zu Darstellungszwecken sind und dass verschiedene Modifikationen oder Änderungen im Hinblick darauf Fachleuten auf dem Gebiet vorgeschlagen werden und in das Wesen und den Schutzbereich dieser Anmeldung und den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche integriert sein sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 61/059253 [0025, 0036]
US 4611091 [0032]
US 4612411 [0032]

Claims

Ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul, das folgende Merkmale aufweist: ein unteres Bauelement, das auf einem Substrat mit einer Länge von ungefähr 0,61 Meter und mehr und einer Breite von ungefähr 1,52 Meter und mehr gebildet ist, wobei das untere Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein erstes Elektrodenmaterial, das über dem Substrat liegend gebildet ist; einen ersten photovoltaischen Übergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1 eV bis 1,2 eV, der über dem Metallmaterial liegend gebildet ist; und ein zweites Elektrodenmaterial, das über dem ersten photovoltaischen Übergang liegend gebildet ist; ein oberes Bauelement, das unabhängig von dem unteren Bauelement auf einem Superstrat gebildet ist, wobei das obere Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein drittes Elektrodenmaterial, das unter dem Superstrat liegend gebildet ist; einen zweiten photovoltaischen Übergang mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 2,0 eV, der unter dem dritten Elektrodenmaterial liegend gebildet ist; und ein viertes Elektrodenmaterial, das unter dem zweiten photovoltaischen Übergang liegend gebildet ist; und ein Kopplungsmaterial, das konfiguriert ist, um das obere Bauelement an das untere Bauelement zu laminieren, um ein Tandembauelement zu bilden; wobei das Tandembauelement elektromagnetische Energie aus einem Sonnenlichtspektrum in elektrischen Strom mit einer Umwandlungseffizienz von 18% und mehr umwandelt.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das untere Bauelement konfiguriert ist, um eine untere Schaltung des Tandembauelements zu sein, und das obere Bauelement eine zweiseitige, obere Schaltung des Tandembauelements mit dem Superstrat als Abdeckung ist.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 2, bei dem das Tandembauelement konfiguriert ist, um Niedrigenergiephotonen mit einem Spektrum von Infrarot bis Rot in Solarstrahlung in dem unteren Bauelement umzuwandeln und Hochenergiephotonen mit einem Spektrum von UV bis Grün in Solarstrahlung von beiden Seiten des oberen Bauelements umzuwandeln.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Elektrodenmaterial ein Aluminiummaterial, Goldmaterial, Silbermaterial, Molybdän, Kombinationen derselben und ein transparentes Leiteroxid sein kann.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Photovoltaikübergang ein erstes Absorbermaterial aufweist, hergestellt aus einem Chalcopyrit-Verbund-Halbleitermaterial, das ein Kupfer-Indium-Disulfid-Material oder ein Kupfer-Indium-Diselenid-Material oder ein Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid-Material oder ein Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Material umfasst.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 5, bei dem der erste Photovoltaikübergang ein erstes Emittermaterial aufweist, das das erste Absorbermaterial überlagert, wobei das erste Emittermaterial aus einer Gruppe aus Materialien ausgewählt ist, bestehend aus einem Cadmiumsulfid (CDS), einem Zinksulfid (ZnS), Zink-Selen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO), Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO).
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Elektrodenmaterial ein transparentes Leiteroxidmaterial aufweist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch eine optische Übertragung von 90% zumindest für eine Wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 630 nm.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das dritte Elektrodenmaterial ein transparentes p-Typ-Leiteroxidmaterial aufweist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch einen Energiebandabstand im Bereich von 1,7 bis 2,0 eV, eine optische Übertragung von 90% und mehr im sichtbaren Spektrum, und einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/cm²,
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das dritte Elektrodenmaterial ein TCO-Material aufweist, das temperaturtolerant zumindest bis zu 600°C ist.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das vierte Elektrodenmaterial ein transparentes p-Typ-Leiteroxidmaterial aufweist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch einen Energiebandabstand im Bereich von 1,7 bis 2,0 eV, ungefähr 90% optische Übertragung im roten Band (zumindest für einen Wellenlängenbereich von 630 bis 750 nm) und ungefähr 90% Reflexionsvermögen im blauen Band (zumindest für einen Wellenlängenbereich von 450 bis 500 nm) und einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/Quadratzentimeter.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem der zweite Photovoltaikübergang ein zweites Absorbermaterial aufweist, bestehend aus einem Chalcopyritverbund-Halbleitermaterial, das ein Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid-Material oder ein Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Material oder ein Kupfer-Silber-Indium-Gallium-Disulfid-Material umfasst.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 11, bei dem der zweite Photovoltaikübergang ein zweites Emittermaterial aufweist, das über dem zweiten Absorbermaterial liegt, wobei das zweite Emittermaterial ein n⁺-Typ-Halbleitermaterial aufweist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Cadmiumsulfid (CdS), einem Zinksulfid (ZnS), Zink-Selen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO) und Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO), gebildet durch MOCVD oder Abscheidung in einem chemischen Bad.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das Kopplungsmaterial ein Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyvinylacetat (PVA) aufweist.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem sowohl das obere Bauelement als auch das untere Bauelement eine Mehrzahl von streifenförmigen Zellstrukturen aufweist, die mit der Länge des Superstrats oder des Substrats ausgerichtet sind.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem das Superstrat ein Hartglas aufweist.
Das Dünnfilm-Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 1, bei dem sowohl der erste Photovoltaikübergang als auch der zweite Photovoltaikübergang ein Absorbermaterial aufweist, das unabhängig durch einen ersten Schritt des Sputterns eines Präkursorfilms gebildet wird, der eine Kupferspezies, Silberspezies, Indiumspezies, Galliumspezies aufweist, und einen zweiten Schritt der Wärmebehandlung des Präkursorfilms in einer Umgebung, die eine gasförmige Selenspezies oder Schwefelspezies aufweist.
Ein Tandemphotovoltaikmodul, das folgende Merkmale aufweist: ein unteres Bauelement, das auf einem ersten Substrat gebildet ist mit einer Länge von ungefähr 0,61 Meter und mehr und einer Breite von ungefähr 1,52 Meter und mehr, wobei das untere Bauelement folgende Merkmale aufweist: ein Metallmaterial, das über dem Substrat liegend gebildet ist; ein erstes Absorbermaterial mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1 eV bis 1,2 eV, das über dem Metallmaterial liegend gebildet ist; ein erstes Emittermaterial, das über dem ersten Absorbermaterial liegend gebildet ist; und ein erstes transparentes Elektrodenmaterial, das über dem ersten Emittermaterial liegend gebildet ist; ein oberes Bauelement, das unabhängig auf einem zweiten Substrat mit im Wesentlichen derselben Länge und Breite wie der des ersten Substrats gebildet ist, wobei das obere Bauelement folgende Merkmale aufweist; ein zweites, transparentes Elektrodenmaterial, das über dem zweiten Substrat liegend gebildet ist; ein zweites Absorbermaterial mit einem Energiebandabstand von ungefähr 1,7 eV bis 2,0 eV, das über dem zweiten, transparenten Elektrodenmaterial liegend gebildet ist; ein zweites Emittermaterial, das über dem zweiten Absorbermaterial liegend gebildet ist; und ein drittes, transparentes Elektrodenmaterial, das über dem zweiten Emittermaterial liegend gebildet ist; ein Kopplungsmaterial, das sandwichartig zwischen dem oberen Bauelement und dem unteren Bauelement angeordnet ist; und ein Abdeckungsglas, das über dem oberen Bauelement liegend angeordnet ist; wobei das Abdeckungsglas konfiguriert ist, um Sonnenlichtstrahlung zugewandt zu sein, wobei das obere Bauelement konfiguriert ist, um zumindest ein erstes Teilsonnenlichtspektrum in einen ersten elektrischen Strom umzuwandeln und ein zweites Teilsonnenlichtspektrum zu übertragen und das untere Bauelement konfiguriert ist, um das zweite Teilsonnenlichtspektrum in einen zweiten elektrischen Strom umzuwandeln, mit einer kombinierten Umwandlungseffizienz von 18% und mehr.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Substrat ein Zwischenglas ist zum Koppeln des oberen Bauelements mit dem unteren Bauelement über das Kopplungsmaterial, das das erste, transparente Elektrodenmaterial überlagert.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das erste Sonnenlichtspektrum Hochenergiephotonen aufweist mit einer Energie im Bereich von ungefähr 2,2 eV bis ungefähr 3,2 eV, und das zweite Teilsonnenlichtspektrum Niedrigenergiephotonen aufweist mit einer Energie im Bereich von ungefähr 1,2 eV bis 2,2 eV.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das Metallmaterial ein Aluminiummaterial, Goldmaterial, Silbermaterial, Molybdän, Kombinationen derselben oder ein transparentes Leiteroxid sein kann zum Bilden eines elektrischen Kontakts mit einer reflektierenden optischen Eigenschaft in dem sichtbaren Spektrum.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das erste Absorbermaterial aus einem Chalcopyritverbund-Halbleitermaterial hergestellt ist, ausgewählt aus einem Kupfer-Indium-Disulfid-Material, einem Kupfer-Indium-Diselenid-Material, einem Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid-Material, einem Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Material oder einem Kupfer-Indium-Gallium-Schwefelselenid-Material.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das erste Emittermaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe von Materialien, bestehend aus Cadmiumsulfid (CDS), einem Zinksulfid (ZnS), Zink-Selen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO), Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO).
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das erste, transparente Elektrodenmaterial ein transparentes Leiteroxidmaterial aufweist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch eine optische Übertragung von 90% zumindest für einen Wellenlängenbereich: von 750 nm bis 630 nm und einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/cm²
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Substrat ein Glas mit geringem Eisengehalt mit einer Dicke von ungefähr wenigen Millimeter oder weniger ist.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite, transparente Elektrodenmaterial ein transparentes p-Typ-Leiteroxidmaterial aufweist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch einen Energiebandabstand im Bereich von 1,7 bis 2,0 eV, eine optische Übertragung von ungefähr 90% im roten Band (für einen Wellenlängenbereich von 630 nm bis 750 nm und mehr) und ein Reflexionsvermögen von ungefähr 90% im blauen Band (für einen Wellenlängenbereich von 450 nm bis 500 nm und mehr), und einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/cm².
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite, transparente Elektrodenmaterial ein TCO-Material aufweist, das temperaturtolerant bis zu mindestens 600°C ist.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das dritte, transparente Elektrodenmaterial ein transparentes p-Typ-Leiteroxidmaterial aufweist und aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus In₂O₃:Sn, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:F und SnO₂:F, gekennzeichnet durch einen Energiebandabstand im Bereich von 1,7 bis 2,0 eV, eine optische Übertragung von 90% und mehr im sichtbaren Spektrum, und einen Schichtwiderstand von weniger als oder gleich ungefähr 10 Ohm/cm².
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Absorbermaterial ein p+-Typ-Chalcopyrit-Verbund-Halbleitermaterial aufweist, ausgewählt aus einem Kupfer-Indium-Diselenid-Material, einem Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid-Material, einem Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Material, einem Kupfer-Silber-Indium-Gallium-Disulfid-Material oder einem Kupfer-Indium-Gallium-Schwefelselenid-Material.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das zweite Emittermaterial ein n⁺-Typ-Halbleitermaterial aufweist, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Cadmiumsulfid (CdS), einem Zinksulfid (ZnS), Zink-Selen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO) und Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO), gebildet durch MOCVD oder Abscheidung in einem chemischen Bad.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das Kopplungsmaterial ein Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyvinylacetat (PVA) aufweist.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem sowohl das obere Bauelement als auch das untere Bauelement eine Mehrzahl von streifenförmigen Zellstrukturen aufweist, die mit der Länge des ersten Substrats oder des zweiten Substrats ausgerichtet sind.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem das Abdeckglas ein Hartglas aufweist.
Das Tandemphotovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, bei dem sowohl das erste Absorbermaterial als auch das zweite Absorbermaterial, die jeweils dem unteren Bauelement und dem oberen Bauelement zugeordnet sind, unabhängig gebildet sind durch durch einen ersten Schritt des Sputterns eines Dünnfilmpräkursors, der eine Kupferspezies, Silberspezies, Indiumspezies, Galliumspezies aufweist, und einen zweiten Schritt der Wärmebehandlung des Dünnfilmpräkursors in einer Umgebung, die eine gasförmige Selenspezies oder Schwefelspezies aufweist.