DE3686195T2 - Zusammenschaltung von solarzellen mittels unterbrochener leitender bereiche. - Google Patents

Zusammenschaltung von solarzellen mittels unterbrochener leitender bereiche.

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DE3686195T2 DE8686303424T DE3686195T DE3686195T2 DE 3686195 T2 DE3686195 T2 DE 3686195T2 DE 8686303424 T DE8686303424 T DE 8686303424T DE 3686195 T DE3686195 T DE 3686195T DE 3686195 T2 DE3686195 T2 DE 3686195T2
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Description

  • Vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Dünnfilmsolarmodul und mehr im einzelnen auf eine Methode und eine Struktur für das Zusammenschalten von Zellen durch eine Mehrzahl von diskreten leitfähigen Bereichen, die sich zwischen jedem zusammenzuschaltenden Paar Zellen erstrecken.
  • Dünnfilmsolarzellen erzeugen Strom mit Spannungen weit unter den für die meisten Gebrauchsanwendungen erforderlichen. Es ist daher erwünscht, eine große Anzahl solcher Zellen in einem einzigen monolithischen Modul herzustellen und sie in Serie zu verschalten, so daß die Gesamtausgangsspannung die Summe der Zellspannungen ist. Eine Anzahl von vorbekannten Methoden zur Zusammenschaltung monolithischer Solarzellen verwendet kontinuierliche Streifen leitfähigen Materials, das entlang den Rändern der Zellen angebracht ist, wie beschrieben in Kim US-A- 4 428 110, Biter US-A-4 042 418 und Swartz GB-A- 2 095 908. Zu erwähnen ist auch GB-A-2 108 755, woraus eine Dünnschichtvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1 bekannt ist.
  • Eine andere Form der Zusammenschaltung ist bekannt aus Morel US-Patent Nr. 4 517 403, wo eine primäre Ausführungsform mit leitfähigen Streifen oder "Stitch bars" (Steppstegen) auf transparenten vorderseitigen Kontaktflächen beschrieben wird. Im Gegensatz zu den Streifen der Patente nach Kirn, Biter und Swartz sind die Steppstege der Anwendung nach Morel nicht notwendigerweise durchgehend.
  • Die Methode nach Morel zieht auch die lokale Erhitzung des Gebiets der Steppstege zur Erhöhung der Leitfähigkeit heran. Wenn ein Laser ausreichend hoher Energie zur Erhitzung verwendet wird, so werden der rückseitige Kontakt und die halbleitende Schicht darunter entlang einer durchgehenden Linie durchschnitten, unter Zurücklassung einer leitfähigen Restfläche, die die Zellen miteinander verbindet. Jedoch isoliert ein solcher Schnitt die eine Hälfte der leitfähigen Restfläche von der Masse der zugeordneten rückseitigen Kontaktfläche, womit dieser Anteil der Restfläche aus der Reihenschaltung des Moduls herausgenommen wird.
  • Ein durchgehender Schnitt ist auch aus verfahrenstechnischen Gründen unerwünscht, weil der Laser, der ihn erzeugt, entsprechend der Bewegung des Werkstücks seine Pulse rasch aussenden muß. Das erfordert einen recht hochentwickelten Laser und kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzen. Schließlich ergeben durchgehende Schnittvorgänge einen erheblichen Betrag an Sputterteilchen, was bei der Zellenherstellung ein Problem sein kann.
  • Es ist daher erwünscht, eine verbesserte Methode für das Zusammenschalten monolithischer Solarzellen vorzusehen, die schnell und wirksam ist und ein Minimum an Sputterteilchen ergibt.
  • Nach einer Ausführungsforrn vorliegender Erfindung wird ein Dünnfilmsolarmodul vorgesehen, welches umfaßt:
  • eine Mehrzahl von ersten Elektrodenflächen auf einem Substrat;
  • eine halbleitende Schicht, die über den ersten Elektrodenflächen abschieden ist und eine Mehrzahl von photovoltaischen Bereichen definiert, wobei jeder der genannten photovoltaischen Bereiche einer entsprechenden ersten Elektrodenfläche zugeordnet ist; und
  • eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenflächen, die über der halbleitenden Schicht abgeschieden sind, wobei jede der genannten zweiten Elektrodenflächen über einem der photovoltaischen Bereiche liegt und die erste Elektrodenfläche eines benachbarten photovoltaischen Bereiches mit einer vorbestimmten Fläche überlappt, wobei jede erste Elektrodenfläche elektrisch mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche verbunden ist, und wobei zumindest zwei der photovoltaischen Bereiche in Serie verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß:
  • jede der ersten Elektrodenflächen mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche durch eine Vielzahl diskreter leitfähiger Bereiche, die räumlich voneinander getrennt sind, elektrisch verbunden ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmsolarmoduls vorgesehen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
  • Vorsehen einer Mehrzahl von ersten Elektrodenflächen auf einem Substrat;
  • Abscheiden von zumindest einer halbleitenden Schicht über der ersten Elektrodenfläche, um eine Mehrzahl von photovoltaischen Bereichen zu definieren, wobei jeder der photovoltaischen Bereiche einer entsprechenden ersten Elektrodenfläche zugeordnet ist;
  • Abscheiden einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenflächen über der halbleitenden Schicht, wobei jede der zweiten Elektrodenflächen über einem photovoltaischen Bereich liegt und die erste Elektrodenfläche eines benachbarten photovoltaischen Bereiches überlappt; und
  • Inserieverschalten von zumindest zwei photovoltaischen Bereichen durch Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen jeder ersten Elektrodenfläche und der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß:
  • jede der genannten ersten Elektrodenflächen mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche durch eine Mehrzahl von diskreten, räumlich voneinander getrennten leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die lokalen leitfähigen Bereiche durch Einwirkung von diskreten, räumlich getrennten Laserpulsen auf die Gebiete der Elektrodenüberlappung hergestellt. Pulse machen das Material entlang ihrer Bahn leitfähiger und können Anteile der zweiten Elektrodenflächen und der halbleitenden Schicht verdampfen, so daß Löcher oder Ausnehmungen sich teilweise durch das Modul erstrecken. Wenn Ausnehmungen gebildet werden, so wird das sie umgebende Material ebenfalls erhitzt. Das der Ausnehmung nächstgelegene Material wird auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und das entferntere Material wird auf zunehmend niedrigere Temperaturen erhitzt, so daß Material auf einem bestimmten Radius von der Ausnehmung auf Temperaturen innerhalb eines Bereiches erhitzt wird, der es leitfähig macht. So wird ein im wesentlichen ringförmiger leitfähiger Bereich um jede Ausnehmung erzeugt, der der Zusammenschaltung der Zellen dient. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht jede erste Elektrodenfläche aus einem transparenten leitfähigen Filmteil und einem mit diesem in Kontakt stehenden Metall enthaltenden Teil, wobei sich die diskreten leitfähigen Bereiche von dem Metall enthaltenden Teil der ersten Elektrodenfläche zu der es überlappenden zweiten Elektrodenfläche erstrecken.
  • Die obengenannten Ausführungsformen erleichtern die Verarbeitung und sehen zugleich eine hinreichend leitfähige Zusammenschaltbahn entlang den Rändern der Zellen vor. Wenn ein Laser verwendet wird, so kann die Geschwindigkeit des Werkstücks relativ zum Laser erhöht werden, ohne die Rate der Laserpulse zu erhöhen, womit der Laser in einem Bereich arbeiten kann, in dem er identische, klar definierte Pulse abgibt. Wenn der Laser Material an bestimmten Orten entfernt, ergibt das Verfahren weniger Sputterteilchen als ein durchgehender Schnitt. Es kann auch mehr leitfähiges Material für die Zusammenschaltung ergeben, weil die vom Laser erzeugten Ausnehmungen von im wesentlichen ringförmigen leitfähigen Bereichen umgeben werden, statt von einem Paar einander gegenüberliegender leitfähiger Wände. Der gesamte Umfang jedes ringförmigen Bereichs ist mit dem größeren Teil des oberen Kontakts verbunden und kann der Zusammenschaltung dienen.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele, anhand der beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen:
  • ABBILDUNG 1 eine isometrische Darstellung eines monolithischen Solarmoduls, hergestellt nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • ABBILDUNG 2 eine schematische, vergrößerte isometrische Darstellung des Solarmoduls aus ABBILDUNG 1, im Schnitt entlang der Linie 2-2 von ABBILDUNG 1;
  • ABBILDUNG 3 eine vergrößerte isometrische Darstellung ähnlich ABBILDUNG 2, eines Solarmoduls, hergestellt nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
  • ABBILDUNG 4 ist eine verallgemeinerte graphische Darstellung von Laserenergien, die geeignet sind, um einen transparenten leitfähigen Film zu ritzen und Zellen nach vorliegender Erfindung zusammenzuschalten.
  • ABBILDUNG 1 stellt ein monolithisches Dünnfilmsolarmodul 10 dar, hergestellt nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Modul hat eine Mehrzahl von gestreckten Solarzellen 12, die zwischen einem Paar von Außenanschlüssen 14 elektrisch in Serie verschaltet sind. Die Zellen sind als schmale Streifen geformt und miteinander entlang ihren gegenüberliegenden Längsrändern verbunden, um Reihenwiderstandsverluste so klein wie möglich zu halten. Die Verbindung wird durch eine große Zahl von diskreten leitfähigen Bereichen erzielt, die sich direkt durch eine unstrukturierte aktive Schicht des Moduls erstrecken. Die leitfähigen Bereiche können hergestellt werden, indem leitfähiges Material diskontinuierlich nahe einem Rand jeder Zelle aufgebracht wird, bevor die aktive Schicht abgeschieden wird, indem die Zellen an einer Mehrzahl von voneinander getrennten Orten auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden, durch ein zusammengesetztes Verfahren, bei dem leitfähiges Material aufgebracht wird und die Zellen an voneinander getrennten Orten erhitzt werden, oder durch eine etwas andere Methode, bei der diskrete Löcher oder Ausnehmungen in der aktiven Schicht gebildet und diese nachfolgend mit leitfähigem Material versehen werden. In jedem Fall wandert der Strom, der von den Zellen bei Ansprechen auf einfallendes Licht (hν) erzeugt wird, eine kurze Distanz entlang jeder Zellenelektrode, bevor er über die diskreten leitfähigen Bereiche auf eine gegenüberliegende Elektrode einer benachbarten Zelle übergeht.
  • In der Darstellung nach ABBILDUNG 2 weist der Solarkollektor 10 eine kontinuierliche halbleitende Schicht 16 auf einem transparenten Substrat 18 auf. Die halbleitende Schicht 16 steht über eine ihr zugehörige untere Oberfläche mit einer Mehrzahl von ersten (vorderen) Elektrodenflächen 20, und über eine obere Oberfläche mit einer Mehrzahl von zweiten (rückseitigen) Elektrodenflächen 22 in Kontakt. Jede rückseitige Elektrodenfläche 22 liegt über einem Teil einer der vorderen Elektrodenflächen 20 bei einem photovoltaischen Bereich 24 der halbleitenden Schicht, wodurch eine der Zellen 12 des Moduls gebildet wird. Jede rückseitige Elektrodenfläche 22 überlappt auch die vordere Elektrodenfläche 20 einer benachbarten Zelle über eine vorbestimmte Fläche 26. Die Zusammenschaltung erfolgt durch eine Mehrzahl von diskreten leitfähigen Bereichen 28 oder 30, die sich entlang imaginären Linien oder Zeilen 32 an räumlich voneinander getrennten Stellen durch die halbleitende Schicht erstrecken.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sind die vorderen Elektrodenflächen 20 transparente leitfähige Flächen mit Metall enthaltenden Zusammenschaltteilen oder "Stitch bars" (Steppstegen) 34 in den Überlappungsgebieten. Das Konzept und die Struktur der Zusammenschaltteile 34 wird in der oben angeführten US-A-4 517 403 beschrieben. Nach dieser Offenlegung wird ein effektiver Kurzschluß zwischen jeder vorderseitigen Elektrode und der sie überlappenden rückseitigen Elektrode vorgesehen, wodurch die Spannung an der Vorderseite jeder Zelle an die Rückseite einer benachbarten Zelle angelegt und so zumindest eine in Serie verschaltete Kette von Zellen gebildet wird. In einem großen Modul kann eine Anzahl von in Serie verschalteten Ketten parallel verschaltet werden, um die erwünschte Ausgangsspannung und Stromcharakteristik zu erzeugen.
  • Die Zusammenschaltteile 34 werden vor der halbleitenden Dünnfilmschicht 16 abgeschieden und sind, verglichen mit dieser, bevorzugt hoch und rauh, wodurch die halbleitende Schicht in der Nähe der Zusammenschaltteile lokale Bereiche aufweist, die relativ dünn sind und eine niedrige dielektrische Spannung aufweisen. Die Zusammenschaltteile haben vorzugsweise die gleiche Höhe und die gleichen anderen Eigenschaften wie in der oben angeführten US-A-4 517 403 beschrieben. Bei geeigneter Wahl der Materialien und Dimensionen der Zusammenschaltteile 34 und der rückseitigen Kontaktflächen 22 ergibt die Struktur leitfähige Bereiche, die für die Zusammenschaltung von Zellen ausreichen. In einem derartigen Fall werden die Zusammenschaltteile 34 typischerweise entlang den Zeilen 32 diskontinuierlich sein und so die diskreten leitfähigen Bereiche 28 oder 30 ergeben.
  • Wenn die relative Höhe und die Rauheit der Zusammenschaltteile 34 nicht groß genug sind, um zuverlässige Verbindungen zwischen den Zellen zu ergeben, so kann die halbleitende Schicht in den Bereichen 28 oder 30 durch lokale Erhitzung leitfähiger gemacht werden. Die Zusammenschaltteile 34 können dann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sein, und sie können sehr dünn sein, solange genug Material vorhanden ist, um den Kontakt mit den vorderen Elektrodenflächen herzustellen.
  • Ein kritischer Faktor für das Modul 10 liegt darin, daß die gesamte Konduktanz der Durchverbindungen ausreichend sein muß, um von den Zellen erzeugten Strom durchfließen zu lassen, ohne den Serienwiderstand merklich zu erhöhen. Die Konduktanz hängt natürlich vom Abstand zwischen leitfähigen Bereichen ab. In voneinander verschiedenen Anwendungen kann der Abstand zwischen einem Minimum, bei welchem die leitfähigen Bereiche einander fast berühren, und einem der Breite der Streifenzellen 12 vergleichbaren Maximum variieren. Einige der für den Abstand der leitfähigen Bereiche wesentlichen Parameter sind dieselben wie die, welche die maximale Zellbreite bestimmen, d.h. Schichtwiderstand und allgemeine Modulentwurfskriterien für die Module. In den meisten Fällen beträgt der Abstand der leitfähigen Bereiche zwischen ungefähr 10 µm und 100 µm.
  • Die lokale Erhitzung geschieht am besten durch das Ausrichten von Laserpulsen 35 auf die Gebiete der Zusammenschaltteile 34 an Stellen, die genügend weit räumlich getrennt sind, um diskrete leitfähige Bereiche mit einem Durchmesser von ungefähr 25 µm zu ergeben. Die leitfähigen Bereiche können auf eine Temperatur erhitzt werden, die zu Diffusion in die halbleitende Schicht, oder zur Kristallisation derselben führt, ohne daß die Integrität der Schicht zerstört wird, oder sie können bis zu einem Punkt erhitzt werden, bei dem das Material verdampft, wodurch sich ein Loch oder eine Ausnehmung 36 bis auf den Steppsteg 34 ergibt.
  • Das im allgemeinen Gaußsche Intensitätsprofil von Laserpulsen führt dazu, daß das Material, das vom Zentrum des Pulses bestrahlt wird, auf eine höhere Temperatur erhitzt wird als jenes, das von dessen Rand bestrahlt wird. Solange ein Puls zumindest eine vorbestimmte Schwellenenergie hat, wird die durch den Laser mitgeteilte Energie an irgendeinem Punkt innerhalb des Moduls gerade ausreichen, um die Leitung zu erhöhen, ohne die Eigenschaften des Materials nachteilig zu beeinflussen. Der Punkt erhöhter Leitung kann im Zentrum des Pulses oder auf Abstand dazu liegen, je nach der Energie des Pulses. Wenn Material verdampft oder auf andere Weise durch den Laser entfernt wird, so wird das umgebende Material ebenso erhitzt, und leitfähiges Material wird über den Dickenbereich der Schichten verbreitet. Dies ergibt einen im wesentlichen ringförmigen Bereich relativ hoher Leitfähigkeit, der sowohl das rückseitige Kontaktmaterial als auch das Halbleitermaterial enthält. Der leitfähige Bereich kann sich entlang der inneren Wand der Ausnehmung 36 oder auswärts davon befinden, je nach der Energie des Lasers und den verwendeten Materialien.
  • Die Steppstege und die Elektrodenflächen sind bevorzugt so angeordnet, daß der Zusammenschaltpunkt sich innerhalb des Gebiets 26 der Elektrodenüberlappung befindet und einwärts der parallelen Ränder der überlappenden Flächen liegt. So ist zuverlässige Zusammenschaltung der Zellen gewährleistet, ohne die eine oder die andere Zelle kurzzuschließen.
  • Wie in der oben angeführten US-A-4 517 403 beschrieben, ist das transparente Substrat 18 bevorzugt ein Glassubstrat, überzogen mit einer dünnen transparenten leitfähigen Schicht 20, die als vorderseitige Elektrode der Zelle verwendet wird. Das Glas und der transparente Leiter werden so gewählt, daß sie miteinander verträglich sind und daß der transparente Leiter Verluste durch Absorption und Serienwiderstand auf ein Minimum reduziert.
  • Die Zusammenschaltteile 34 werden bevorzugt als parallele Linien auf den transparenten leitfähigen Film aufgebracht, und der Film wird entlang den Zusammenschaltteilen geritzt, was eine Reihe von diskreten vorderen Elektrodenflächen 20 ergibt, die durch Abstände 38 getrennt werden, wobei jede Elektrodenfläche einen Zusammenschaltteil benachbart einem ihrer Ränder aufweist. Die Zusammenschaltteile 34 können durch geeignete Dünnfilmtechniken abgeschieden werden, etwa Verdampfung durch eine Maske oder durch Siebdruck. Im Falle des Siebdrucks werden die Zusammenschaltteile als Siebdruckmasse aufgebracht, die metallisches Pulver, Glasfritte und ein geeignetes organisches Träger- oder Bindermaterial enthält. Die Masse wird nachfolgend bei erhöhten Temperaturen gehärtet und ergibt so ein leitfähiges Material mit bedeutendem Metallgehalt.
  • Die halbleitende Schicht 16 ist bevorzugt ein Dünnfilmmaterial auf der Basis von wasserstoffhaltigem Silizium (Si:H) mit Schichten von verschiedenem Leitertyp, die einen gleichrichtenden Übergang bilden. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine P-Typ-Schicht einer Dicke von ungefähr 1,25 × 10&supmin;&sup8; Meter (125 Ångström) unstrukturiert über den vorderen Elektrodenflächen 20 und den Abständen 38 zwischen den Flächen abgeschieden, gefolgt von einer nichtdotierten Schicht, ungefähr 4,0 × 10&supmin;&sup7; Meter (4000 Ångström) dick, und einer N-Typ- Schicht einige Hundert × 10&supmin;¹&sup0; Meter (Ångström) dick. Die Eigenleitungsschicht ist bevorzugt ein dünner Film aus Silizium:Wasserstoff, während die P- und N-Typ-Schichten Siliziumcarbid:Wasserstoff als Dünnfilm enthalten können.
  • Die rückseitigen Elektrodenflächen 22 werden über die halbleitende Schicht 16 aufgetragen, wobei die Elektrodenflächen 22 gegenüber den Flächen 20 ein wenig versetzt sind, so daß sie entlang den Gebieten 26, die die Zusammenschaltteile 34 enthalten, überlappen. Die rückseitige Elektrode kann jedes geeignete Material enthalten, das mit dem N-Typ-Material der halbleitenden Schicht 16 einen ohmischen Kontakt, und mit den Zusammenschaltteilen 34 einen stabilen Kontakt geringen Widerstandes bilden kann. Wenn das Modul erhitzt werden soll, um die Leitung zu erhöhen, so sollte das rückseitige Kontaktmaterial sich auch lokal mit dem halbleitenden Material verbinden können oder über den Dickenbereich des halbleitenden Materials verbreitet werden können, um eine Leiterbahn zu ergeben. Wenn es sich bei den Zusammenschaltteilen 34 um durch Siebdruck erzeugte Silberleitungen, und bei der halbleitenden Schicht 16 um eine Zusammensetzung auf Siliziumbasis handelt, so können die rückseitigen Elektrodenflächen 22 Aluminium sein, das durch Zerstäubung oder andere geeignete Methoden aufgebracht wird. Obwohl Aluminium mit transparenten leitfähigen Oxiden keinen stabilen Kontakt bildet, verbindet es sich gut mit Silizium und bildet guten Kontakt mit Silber.
  • Die Dicken der Schichten des Moduls 10 können variiert werden, liegen aber in typischen Fällen innerhalb bekannter Bereiche. Zum Beispiel liegt die gesamte Dicke der halbleitenden Schicht 16 bevorzugt zwischen 3,0 × 10&supmin;&sup7; und 6,0 × 10&supmin;&sup7; Meter (3000 und 6000 Ångström), und der transparente Leiter sollte zwischen 5,0 × 10&supmin;&sup8; und 1,0 × 10&supmin;&sup6; Meter (500 und 10 000 Ångström) dick sein. Die Dicke der rückseitigen Elektrodenflächen 22 ist weniger kritisch als jene der halbleitenden Schicht oder des transparenten leitenden Kontakts. Sie kann aufwärts von einem Minimum von einigen Hundert × 10&supmin;¹&sup0; Meter (Ångström) variieren, solange ausreichende Leitfähigkeit erzielt wird. Wenn der rückseitige Kontakt durch Siebdruck hergestellt wird, so kann die Dicke 25 µm oder mehr betragen.
  • Die Energie des zur Zusammenschaltung der Zellen verwendeten Lasers liegt in typischen Fällen innerhalb eines Bereichs von geeigneten Werten, die geringer sind als die zur Strukturierung des transparenten leitfähigen Films der vorderen Elektrodenfläche 20 erforderlichen Energien. Dieser Zusammenhang ist graphisch in Abbildung 4 dargestellt, wo Laserpulse mit Energien innerhalb des Bereichs 40 den Oxidfilm der vorderseitigen Elektroden 20 strukturieren werden, ohne das Glassubstrat 18 zu beschädigen, und wo Pulse innerhalb des Bereichs 42 leitfähige Bereiche 28 oder 30 erzeugen werden, ohne den Oxidfilm zu beschädigen. Die Bereiche 40 und 42 können einander ausschließen, was zu verschiedenen optimalen Energiebereichen 44 und 46 für die Durchführung der beiden Prozesse führt. In jedem Fall werden die erforderlichen Laserenergien und Pulswiederholungsraten von den Materialien und den Dicken der betreffenden Schichten abhängen.
  • Aus diesen Ausführungen ist zu entnehmen, daß eine wichtige Funktion der Zusammenschaltteile 34 in der Vorsehung eines Grundmaterials für die Verbindung der vorderen Elektrodenflächen besteht. Ein solches Grundmaterial wird besonders dann benötigt, wenn die vorderseitigen Elektroden transparente leitfähige Oxide enthalten. Das Grundmaterial kann eine leitfähige Metall enthaltende Zusammensetzung sein, wie oben beschrieben, oder es kann vom Typ eines Flußmittels sein, das selbst nicht leitfähig ist, aber auf die transparente leitende Schicht einwirkt, um die Güte des Kontakts zu verbessern.
  • Abbildung 3 stellt ein Solarmodul 10' dar, das nach einer anderen Ausführungsforrn vorliegender Erfindung aufgebaut ist und nicht von vorabgeschiedenen Zusammenschaltteilen 34 Gebrauch macht. Photovoltaische Bereiche 24' einer halbleitenden Schicht 16' liegen zwischen versetzten vorderen beziehungsweise rückseitigen Elektrodenflächen 20' und 22'. Im einzelnen werden die vorderen Elektrodenflächen als eine kontinuierliche Schicht von transparentem leitfähigem Material über einem transparenten Substrat 18' abgeschieden und entlang paralleler Linien geritzt, wodurch Lücken 38' gebildet werden. Die halbleitende Schicht 16' wird über den vorderen Elektrodenflächen 20' und dem Substrat zwischen den Flächen aufgetragen, und ist einheitlicher als die entsprechende Schicht des Moduls 10, weil die Zusammenschaltteile 34 nicht verwendet werden. Ein leitender Film 48, bevorzugt zumindest einige Tausend × 10&supmin;¹&sup0; Meter (Ångström) dick, wird über der halbleitenden Schicht 16' aufgetragen.
  • Eine Reihe von Löchern oder Ausnehmungen 36' werden in der halbleitenden Schicht 16' und dem leitfähigen Film 48 an Stellen in der Nähe eines Randes jeder vorderen Elektrodenfläche gebildet, wonach ein zweiter leitender Film 50 aufgetragen wird. Das Material des Films 50 bedeckt den Film 48 und tritt in die Ausnehmungen 36' ein, um leitende Bereiche 52 zu bilden, die die vorderen Elektrodenflächen mit dem leitfähigen Film 48 an den Orten der Ausnehmungen verbinden. Dadurch hat der leitfähige Film 50 eine Reihe von Vertiefungen 54, die sich mit den Ausnehmungen 36' decken. Die leitenden Filme 48 und 50 werden strukturiert, um sie in die rückseitigen Elektrodenflächen 22' aufzutrennen, die jeweils über einem zugeordneten photovoltaischen Bereich 24' liegen und über die leitfähigen Bereiche 52 mit der vorderen Elektrodenfläche einer benachbarten Zelle 12' verbunden sind. Praktisch dienen die Bereiche 52 als leitfähige "Nieten", die die vorderen und rückseitigen Elektrodenflächen in den Gebieten der Elektrodenüberlappung verbinden.
  • Im Modul 10' werden nicht nur die ringförmigen leitfähigen Bereiche, die sich aus dem Verfahren zur Bildung der Ausnehmungen 36' ergeben, für die Zusammenschaltung herangezogen. Vielmehr dienen die Ausnehmungen primär dazu, die vorderen Elektrodenflächen 20' zugänglich zu machen, so daß nachträglich aufgebrachtes leitendes Material die Zellen zusammenschalten wird.
  • Statt dessen könnten die leitfähigen Bereiche 52' auch durch Einbringen einer Mehrzahl von getrennten leitfähigen nietenartigen Elementen durch nichtunterbrochene Teile der halbleitenden Schicht in den Gebieten der Elektrodenüberlappung gebildet werden. Ein solches Verfahren würde die Vorbildung der Ausnehmungen 36' unnötig machen.
  • Die Ausnehmungen 36' werden durch lokale Erhitzung gebildet, wie etwa Lasererhitzung mit einer Quelle ähnlich jener, die zur Bildung der leitfähigen Bereiche 28 und 30 des Moduls 10 (Abbildung 2) verwendet wird. Jedoch sind die Erwägungen, die die Zusammensetzung der rückseitigen Elektrodenflächen 22' beherrschen, verschieden von jenen, die die Zusammensetzung der rückseitigen Elektrodenflächen des Moduls 10 beherrschen, weil das Material der rückseitigen Elektrodenflächen 22' in direktem Kontakt zu dem transparenten leitfähigen Material der vorderen Elektrodenflächen 20' stehen muß. Während Aluminium als rückseitige Elektrode des Moduls 10 verwendet werden kann, ist Aluminium allein für die Verwendung im Modul 10' nicht geeignet, weil es mit manchen transparenten leitfähigen Oxiden keinen stabilen Kontakt bildet. Wenn Aluminium zum Beispiel über Zinnoxid abgeschieden wird, bildet es selbst ein Oxid, das es am Kontaktpunkt isoliert. In der Ausführungsform von Abbildung 3 ist es daher erwünscht, für die rückseitige Elektrode ein Material zu verwenden, das ohmischen Kontakt mit Oxiden bildet. Ein solches Material kann aber nicht direkt über der Halbleiterschicht 16 angebracht werden, weil es dann mit etwa vorhandenen Spitzen des transparenten leitfähigen Oxids, die durch die halbleitende Schicht ragen, Kontakt bilden und so die Zellen kurzschließen würde.
  • In der bevorzugten Ausführungsform von Abbildung 3 enthält der Film 48 der rückseitigen Elektrodenflächen 22' Aluminium oder ein ähnliches Material, das guten Kontakt mit Halbleitern auf Siliziumbasis bildet, und der Film 50 enthält ein Material wie Nickel, Titan oder Chrom, das guten elektrischen Kontakt mit Oxiden bildet. Die erste Schicht steht in Kontakt mit der halbleitenden Schicht 16', ohne mit etwa vorhandenen Oxidspitzen kurzzuschließen, und die zweite Schicht bildet guten Kontakt mit dem Oxid durch die Ausnehmungen 36'.
  • Obwohl Laserpulse oben als auf die Rückseite der Module 10 und 10' gerichtet beschrieben worden sind, um die erfindungsgemäßen diskreten leitfähigen Zusammenschaltbereiche zu erzeugen, können sie auch, wenn gewünscht, in entgegengesetzter Richtung durch das transparente Substrat einwirken, besonders im Fall des Moduls 10'. Wenn die Pulse so einwirken, gehen sie durch das Substrat und die vorderen Elektrodenflächen, bevor sie von den halbleitenden Schichten absorbiert werden. Die Laserenergie verdampft das halbleitende Material an den erhitzten Stellen und "sprengt" das Material der rückseitigen Elektrode unter Zurücklassung der Ausnehmungen 36 oder 36' von der Zelle weg. Diese geometrische Anordnung hat den Vorteil, daß die bei der Bildung der Ausnehmungen produzierten Sputterteilchen sich nicht wieder auf andere aktive Teile des Moduls niederschlagen. Sie erlaubt auch die Verwendung von geringerer Laserleistung, weil die Energie durch das halbleitende Material (von der Vorderseite des Moduls beurteilbar) wirksamer absorbiert wird als durch die metallische rückseitige Elektrode.
  • Selbstverständlich kann eine Reihe von anderen Erhitzungsmethoden verwendet werden, um Zellen zusammenzuschalten, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Derartige Methoden sind zum Beispiel die lokale Einwirkung eines Elektronenstrahls, elektrische Hochspannungsentladungen, und Strahlungshitze. In jedem Fall werden durch die Hitze diskrete leitfähige Zusammenschaltbereiche gebildet, die innerhalb jeder Zelle diskontinuierlich sind.
  • Im Betrieb sind die Solarkollektoren 10 und 10' so angeordnet, daß Licht (hν) durch das transparente Substrat und die vorderen Elektrodenflächen empfangen wird. Das durch das photovoltaische Material absorbierte Licht erzeugt einen elektrischen Strom, der über die vorderen und rückseitigen Elektroden der Zellen abgenommen wird. Die Spannung an der vorderen Elektrode jeder Zelle wird durch eine Mehrzahl von diskreten leitfähigen Bereichen an die rückseitige Elektrode einer benachbarten Zelle angelegt, wodurch die Zellen in Serie verschaltet werden. Daher stellt die Spannung über die Anschlußleitungen 14 die Summe der Spannungen der Solarzellen 12 dar.
  • Monolithische Solarmodule sind nach beiden offengelegten Ausführungsformen vorliegender Erfindung mit guten Ergebnissen hergestellt worden. Die Module wurden als in Serie verschaltete Streifenzellen auf Glassubstraten von 30 Zentimeter mal 30 Zentimeter Größe hergestellt. Das Glas wurde mit einer Zinnoxid (TO)- Beschichtung mit einer Schichtresistivität von ungefähr 20 Ohm pro Quadrat und einer Lichtdurchlässigkeit im Sonnenspektrum von ungefähr 80 Prozent gekauft.
  • Im Fall des Moduls 10 wurde die TO-Schicht unter Verwendung einer handelsüblichen Silbermasse mit einer Anordnung von parallelen Steppstegen 34 bedruckt. Die Probe wurde dann bei 550 Grad Celcius eingebrannt, wobei kontinuierliche Steppstege von etwa 25 um Höhe und 200 µm Breite zurückblieben. Ein Laser wurde verwendet, um das TO entlang einer Linie neben jedem Steppsteg zu ritzen, wobei rillenartige Lücken 38 von etwa 25 µm Breite gebildet wurden, die die TO-Schicht in eine Mehrzahl von vorderen Elektrodenflächen untertrennten. Eine zusätzliche Laserritzung an der Peripherie des Substrats isolierte die Zellen von etwa sich über eine vorbestimmte Fläche hinaus erstreckendem TO. Das Substrat wurde dann einer Glimmentladungsabscheidung in Silan unterworfen, was eine photovoltaische PIN-Schicht von etwa 5,0 × 10&supmin;&sup7; Meter (5000 Ångström) Dicke des in der oben angeführten US-A-45 17 403 beschriebenen Typs ergab. Schließlich wurden rückseitige Elektrodenflächen 22 durch Zerstäubung von Aluminium über löslichen Streifen eines Maskiermittels, in einem den erwünschten Abständen zwischen den Flächen entsprechenden Muster angebracht, abgeschieden. Das Maskierrmttel und das darüber abgeschiedene Aluminium wurden in einem nachfolgenden Schritt entfernt.
  • Die leitfähigen Bereiche 30 wurden durch Ausrichtung eines gepulsten Laserstrahls auf die rückseitigen Elektrodenflächen in den Gebieten der Zusammenschaltteile 34 gebildet, während das Modul bewegt wurde. Das Modul wurde rasch genug bewegt, um voneinander getrennte leitfähige Bereiche zu bilden. Der Laser war ein Nd-YAG- Laser, Q-geschaltet, mit einer Nennleistung von 30 Watt und einer Wellenlänge von 1,06 µm. Das Modul wurde mit ungefähr 203,2 × 10&supmin;³ Meter (8 Zoll) pro Sekunde bewegt, bei einer Pulsrate von ungefähr 5 Kilohertz. Hingegen wird im Fall der kontinuierlichen Ritzung des transparenten vorderen Kontakts mit dem gleichen Laser und der gleichen Tischgeschwindigkeit mit einer Pulsrate von ungefähr 15 Kilohertz gearbeitet.
  • Unter den oben beschriebenen Bedingungen erzeugte der Laser eine Mehrzahl von getrennten Ausnehmungen 36, die sich durch jede rückseitige Elektrodenfläche 22, die halbleitende Schicht 16 unterhalb der Fläche, und möglicherweise das metallische Zusammenschaltteil 34 erstreckten. Mit der Bildung der Ausnehmungen wurden sie umgebende ringförmige Bereiche auf Temperaturen erhitzt, die ausreichten, um leitfähige Vereinigungen der metallischen und Halbleiterkomponenten des Moduls zu bilden. Ohne Einschränkung durch die Theorie wird angenommen, daß die Zunahme der Leitfähigkeit der so hergestellten Module sich weitgehend aus der Verbreitung des metallischen Materials der Zusammenschaltteile 34 entlang den inneren Wänden der Ausnehmungen 36 ergab. Die Ausnehmungen hatten einen Durchmesser von ungefähr 25 µm und waren in Abständen von einigen wenigen Mikrometern angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Ausnehmungen durch Abstände über den ganzen Bereich von einem Bruchteil von 1 µm bis zu einigen Zentimetern räumlich getrennt sein, je nach der für die Zelleistung erforderlichen Leitfähigkeit.
  • Die nach der Ausführungsform der Abbildung 3 hergestellten Module 10' wurden durch ein Verfahren gebildet, das jenem des Verfahrens des Moduls 10 in vielen Punkten gleicht, sich aber dadurch von diesem Verfahren unterscheidet, daß die Zusammenschaltteile 34 weggelassen wurden, die rückseitigen Elektrodenflächen 22' anders zusammengesetzt waren, und daß die Ausnehmungen 36' gebildet wurden, bevor der letzte leitfähige Film 50 aufgebracht wurde. Der erste leitfähige Film 48 der rückseitigen Elektrodenflächen 22 war eine im Vakuum abgeschiedene Aluminiumschicht mit einer Dicke von ungefähr 8 × 10&supmin;&sup7; Meter (8000 Ångström), die mit der halbleitenden Schicht 16' in Kontakt stand, ohne mit den Spitzen der transparenten leitfähigen Oxidschicht kurzzuschließen. Dieser Film und die halbleitende Schicht 16' wurden einer Reihe von Pulsen des oben beschriebenen Lasers ausgesetzt, was die Ausnehmungen 36' entlang den Gebieten der Elektrodenüberlappung ergab. Der zweite leitfähige Film 50 war eine im Vakuum abgeschiedene Nickelschicht von einer Dicke von zumindest einigen Hundert Nanometern, die in die Ausnehmungen 36' eintrat und so die diskreten nietenartigen leitfähigen Bereiche 52' durch die halbleitende Schicht ergab. Ein anorganisches Maskierungsmittel wurde zum Zweck der Strukturierung vor den leitenden Filmen 48 und 50 auf die halbleitende Schicht 16' durch Siebdruck aufgebracht. Das Maskierungsmittel und das darüberliegende Material der rückseitigen Elektrode wurde in einem späteren Schritt (Waschen mit Lösungsmittel) entfernt, wonach ein gut definierter Satz von rückseitigen Elektrodenflächen zurückblieb.
  • Aus den vorangegangenen Ausführungen geht hervor, daß eine photovoltaische Vorrichtung und eine entsprechende Methode zur Bildung bereitgestellt worden sind, worin eine Mehrzahl von Zellen eines monolithischen Dünnfilmsolarkollektors durch eine Mehrzahl von diskreten leitfähigen Bereichen, die sich durch den photoaktiven Film erstrecken, in Serie verschaltet sind. Die diskontinuierliche Natur der leitfähigen Bereiche innerhalb jeder Zelle lockert gewisse Einschränkungen, wie etwa die Mindestrate der Laserpulse, und ermöglicht für einen vorgegebenen Laser größere Verfahrensleistungen. Es muß nicht jeder leitfähige Bereich vollkommen sein, solange die Zusammenwirkung aller derartiger Bereiche die nötige Konduktanz zwischen den Zellen ergibt. Wenn Material auf diese Art entfernt wird, so ist die Menge an Sputterteilchen geringer als bei dem kontinuierlichen Ritzverfahren, weil weniger Material entfernt wird. Die ringförmigen leitfähigen Bereiche der zusammenschaltenden "Punkte" können auch größer sein als die Fläche, die sich bei einer einzelnen geritzten Linie ergibt.
  • Zu bemerken ist, daß, obwohl nach obiger Beschreibung die Module 10 und 10' unter Verwendung der transparenten Schicht 18 als Substrat abgeschieden werden, sie ebensogut auf einem undurchsichtigen Substrat abgeschieden werden können, so daß Licht in das Modul in eine obere transparente Oberfläche eintritt.

Claims (19)

1. Dünnfilmsolarmodul (10 oder 10'), welches umfaßt:
eine Mehrzahl von ersten Elektrodenflächen (20 oder 20') auf einem Substrat (18 oder 18'),
eine halbleitende Schicht (16 oder 16'), die über den ersten Elektrodenflächen abgeschieden ist und eine Mehrzahl von photovoltaischen Bereichen (24 oder 24') definiert, wobei jeder der genannten photovoltaischen Bereiche einer entsprechenden ersten Elektrodenfläche zugeordnet ist, und
eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenflächen (22 oder 22'), die über der halbleitenden Schicht abgeschieden sind, wobei jede der genannten zweiten Elektrodenflächen über einem der photovoltaischen Bereiche liegt und die erste Elektrodenfläche eines benachbarten photovoltaischen Bereiches mit einer vorbestimmten Fläche überlappt, wobei jede erste Elektrodenfläche elektrisch mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche verbunden ist, und wobei zumindest zwei der photovoltaischen Bereiche in Serie verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Elektrodenflächen mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche durch eine Vielzahl diskreter leitfähiger Bereiche (28, 30 oder 52), die räumlich voneinander getrennt sind, elektrisch verbunden ist.
2. Solarmodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede erste Elektrodenfläche (20) einen leitfähigen Film (20) umfaßt, der ein Metall enthaltendes Teil (34) besitzt, welches in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Film steht, und
daß die leitfähigen Bereiche (28 oder 30), die die ersten Elektrodenflächen mit den sie überlappenden zweiten Elektrodenflächen (22) elektrisch verbinden, sich von der zweiten Elektrodenfläche bis zum Metall enthaltenden Teil der ersten Elektrodenfläche erstrecken.
3. Solarmodul (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall enthaltende Teil (34) jeder ersten Elektrodenfläche (20) ein verdicktes, Metall enthaltendes Gebiet dieser Elektrodenfläche darstellt.
4. Solarmodul (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (18) und der leitfähige Film (20) jeder ersten Elektrodenfläche (20) transparent sind.
5. Solarmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (16) eine Mehrzahl diskreter Ausnehmungen (36) besitzt, und daß jeder diskrete leitfähige Bereich (30) eine entsprechende Ausnehmung umgibt und ein im wesentlichen ringförmiges Gebiet darstellt.
6. Solarmodul (10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten diskreten leitfähigen Gebiete (52) umfaßt:
eine diskrete Ausnehmung, die sich in der halbleitenden Schicht (16') von der ersten Elektrodenfläche (20') zur sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche (22') erstreckt, und wobei leitfähiges Material (52) in die Ausnehmung eingebracht ist.
7. Solarmodul (10') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Elektrodenflächen (22') umfaßt:
einen ersten leitfähigen Film (48), der über der halbleitenden Schicht (16') angeordnet ist, und einen zweiten leitfähigen Film (50), der über dem ersten leitfähigen Film angeordnet ist und eine Einheit mit dem leitfähigen Material (52) bildet.
8. Solarmodul (10') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite leitfähige Film (50) aus Nickel, Titan oder Chrom besteht.
9. Solarmodul (10 oder 10') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der photovoltaischen Bereiche (24 oder 24') eine Breite aufweist, die dem Abstand zwischen benachbarten leitfähigen Bereichen (28, 30 oder 52) entspricht.
10. Solarmodul (10 oder 10') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten leitfähigen Bereichen (28, 30 oder 52) zumindest 10 µm beträgt.
11. Solarmodul (10 oder 10') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (16 oder 16') ein Dünnfilmmaterial auf der Basis von wasserstoffhaltigem Silizium (Si:H) enthält.
12. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmsolarmoduls (10 oder 10') nach Anspruch 1, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
- Vorsehen einer Mehrzahl von ersten Elektrodenflächen (20 oder 20') auf einem Substrat (18 oder 18'),
- Abscheiden von zumindest einer halbleitenden Schicht (16 oder 16') über der ersten Elektrodenfläche, um eine Mehrzahl von photovoltaischen Bereichen (24 oder 24') zu definieren, wobei jeder der photovoltaischen Bereiche einer entsprechenden ersten Elektrodenfläche zugeordnet ist,
- Abscheiden einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenflächen (22 oder 22') über der halbleitenden Schicht, wobei jede der zweiten Elektrodenflächen über einem photovoltaischen Bereich liegt und die erste Elektrodenfläche eines benachbarten photovoltaischen Bereiches überlappt, und
- Inserieverschalten von zumindest zwei photovoltaischen Bereichen durch Herstellen von elektrischen Verbindungen (28, 30 oder 52) zwischen jeder ersten Elektrodenfläche und der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten ersten Elektrodenflächen mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche durch eine Mehrzahl von diskreten, räumlich voneinander getrennten leitfähigen Bereichen (28, 30 oder 52) elektrisch verbunden ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsehen von elektrischen Verbindungen eine lokale Erhitzung des Moduls (10 oder 10') umfaßt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsehen von elektrischen Verbindungen die Einwirkung von Laserpulsen auf das Modul (10 oder 10') umfaßt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserpuls einwirkt, um die diskreten leitfähigen Gebiete (28 oder 30) zu bilden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen vorgesehen werden durch Ausrichten eines gepulsten Laserstrahls auf das Modul (10) in den Bereichen, wo sich erste und zweite Elektrodenflächen (20 und 22) überlappen, und wobei eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Modul derart durchgeführt wird, daß die Laserpulse an räumlich voneinander getrennten Orten auf dem Modul auftreffen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulse Bereiche der zweiten Elektrodenflächen (22) und der halbleitenden Schicht (16) verdampfen und Ausnehmungen (36) erzeugen, die sich von den zweiten Elektrodenflächen durch die halbleitende Schicht erstrecken, und wobei im wesentlichen ringförmige leitfähige Bereiche (30) entstehen, die die genannten Ausnehmungen umgeben.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Elektrodenflächen (20) einen leitfähigen Film (20) umfaßt, der ein Metall enthaltendes Teil (34) besitzt, das in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Film steht, und
daß die leitfähigen Bereiche (28 oder 30), die jede der ersten Elektrodenflächen mit der sie überlappenden zweiten Elektrodenfläche (22) verbinden, sich von der zweiten Elektrodenfläche zum Metall enthaltenden Teil der ersten Elektrodenfläche erstrecken.
19. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten zweiten Elektrodenflächen (22') einen ersten leitfähigen Film (48) über der halbleitenden Schicht (16') und einen zweiten leitfähigen Film (50) über dem ersten leitfähigen Film umfaßt, und daß Ausnehmungen gebildet werden, die sich durch jeden ersten leitfähigen Film und die halbleitende Schicht bis zu der von ihr überlappten ersten Elektrodenfläche (18') erstrecken, und
daß leitfähiges Material (52) in jeder Ausnehmung abgeschieden wird, welches Bestandteil des zweiten leitfähigen Films ist, um so die genannten elektrischen Verbindungen vorzusehen.
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