DE69120278T2

DE69120278T2 - Photovoltaische anordnung mit erniedrigter schattenbildung durch das kontaktgitter und herstellungsmethode

Info

Publication number: DE69120278T2
Application number: DE69120278T
Authority: DE
Inventors: Prem Nath; Craig Vogeli
Original assignee: United Solar Systems Corp
Current assignee: United Solar Systems Corp
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2011-09-19
Also published as: WO1992005588A1; EP0549707B1; EP0549707A4; ES2088020T3; US5110370A; EP0549707A1; AU8719591A; DE69120278D1

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft allgemein photo-voltaische Anordnungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von photo-voltaischen Anordnungen mit einem erhöhten Wirkungsgrad, der aus der Minimierung der Schattierungswirkungen resultiert, die von den stromsammelnden Gitterlinien verursacht werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die photo-voltaische Energie wird aus verschiedenen Gründen immer mehr zu einer signifikanten Energiequelle. Fossile Brennstoffe werden täglich knapper und damit teurer. Außerdem werden durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen Schadstoffe freigesetzt, einschließlich der für den Treibhauseffekt verantwortlichen Gase, die zu den Problemen einer globalen Erwärmung beitragen. Weiterhin haben Ereignisse der jüngsten Zeit Fragen nach der Sicherheit und Kosteneffektivität der Kernkraft aufgeworfen. Aus diesen Gründen haben die traditionellen Energiequellen ständig an Attraktivität verloren. Dagegen ist die photo-voltaische Energie inhärent schadstoffrei, sicher und ruhig. Außerdem wurden durch jüngste Fortschritte in der photo-voltaischen Technologie der Wirkungsgrad solcher Anordnungen wesentlich erhöht und ihre Kosten gesenkt.
Beispielsweise ist es nun möglich, großflächige Legierungsmaterialien aus Silizium und/oder Germanium herzustellen, die elektrische, optische, chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen, die denen ihrer einkristallinen Entsprechungen gleichwertig und in vielen Fällen überlegen sind. Schichten derartiger Legierungen können auf wirtschaftliche Weise mit hoher Geschwindigkeit auf verhältnismäßig großen Flächen und in einer Vielfalt von übereinander angeordneten Konfigurationen aufgebracht werden. Diese Legierungen bieten sich förmlich für die Herstellung von billigen photo-voltaischen Anordnungen an. Beispiele für spezielle fluorierte Halbleiter-Legierungsstoffe, die bei der Herstellung von photo-voltaischen Anordnungen von signifikantem Nutzen sind, werden in US-PS 4226898 und US-PS 4217374, beide erfunden von Ovshinsky u. a., beschrieben, wobei diese Offenlegungen hier als Referenz einbezogen werden.
Bei einer typischen großflächigen photo-voltaischen Anordnung wird eine Reihe von stromsammelnden Strukturen eingesetzt, um den lichterzeugten Strom zu einem Anschluß oder anderen Sammelpunkt zu leiten. Im nachstehenden werden diese verschiedenen Strukturen als "stromsammelnde Gitter" oder "Gitterlinien" bezeichnet, wobei diese Begriffe so zu verstehen sind, daß sie sowohl Gitter und Sammelschienen als auch jedwede anderen lichtundurchlässigen Leiter einschließen, die der Seite des Lichteinfalls von photo-voltaischen Anordnungen zugeordnet sind. Der Einsatz von stromsammelnden Gittern ist notwendig, um die Energie von der photo-voltaischen Anordnung abzuziehen; diese Gitter werden aber im typischen Fall aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise aufgedampfte Metallraster, durch Kleben aufgebrachte Metallbänder, metallhaltige Pasten, metallische Tinten oder plattierte Schichten, und sind ziemlich lichtundurchlässig. Die Gitterlinien schattieren die darunter befindlichen Abschnitte der photovoltaischen Anordnung, wodurch diese daran gehindert werden, Energie zu erzeugen. Es ist klar, daß die Gitterlinien gebraucht werden, um die wirksame Ableitung des lichterzeugten Stroms zu ermöglichen, aber ihr Vorhandensein beeinträchtigt auch den Gesamtwirkungsgrad der Zelle. Die Linien können schmaler gemacht werden, aber dadurch erhöht sich ihr elektrischer Widerstand, wodurch wiederum die Tendenz besteht, den Wirkungsgrad der Zelle zu verringern. Bei den Beschränkungen des bekannten technischen Standes sieht sich der Konstrukteur von photo-voltaischen Anordnungen in dem Dilemma gefangen. Den elektrischen Widerstand der Zelle gegenüber dem Umfang der aktiven Fläche, die für die Feleuchtung zur Verfügung steht, abwägen zu müssen.
In einigen Fällen basieren Zellen nach dem bekannten technischen Stand auf der Verwendung von relativ dünnen Aufträgen von Metallen mit hoher Leitfähigkeit, wie beispielsweise reinem Gold, Silber oder Kupfer, um Gitterlinien von hoher Leitfähigkeit und relativ geringer Fläche zu schaffen. Ein derartiges Herangehen macht jedoch die Anwendung komplizierter fotolithografischer Verfahren für die Strukturierung der Gitterlinien erforderlich. Außerdem ist die Länge dieser dünner Gitterlinien durch die Notwendigkeit begrenzt, einen hohen spezifischen Widerstand zu vermeiden; folglich ist diese Herangehensweise begrenzt, in der Größe und sehr kostspielig. Sehr wünschenswerts sind leicht und zu niedrigeren Kosten aufzubringende Gitterlinien, die aus Pasten- oder Tintenmaterial hergestellt werden; sie weisen aber eine geringere Leitfähigkeit auf und müssen folglich ziemlich stark und breit ausgelegt werden, um eine ausreichende Kapazität der Stromzuführung zu erreichen. Daher waren derartige Materialien bisher nicht praktikabel, da die durch sie gebildeten Gitterlinien ein hohes Maß an Schattierung hervorrufen.
Gebraucht werden ein Verfahren und ein Aufbau, welche die Anwendung von relativ weiten Strukturen von Gitterlinien ermöglichen, während sie gleichzeitig die Schattierung durch diese Gitterlinien minimieren.
Es wurden verschiedene Versuche nach dem bekannten technischen Stand unternommen, bei denen optische Systeme eingesetzt wurden, um das Licht in den Abschnitten, die von den Gitterlinien entfernt sind, zu konzentrieren. Derartige Verfahren schließen den Einsatz von Gruppen von Prismen und ähnlichen Elementen ein. Diese Gruppen werden im typischen Fall in einem Abstandsverhältnis zur photo-voltaischen Anordnung getragen, oder sie werden durch Kleben auf der Seite des Lichteinfalls der Anordnung befestigt und lenken, wenn sie richtig ausgerichtet sind, das im Bereich der Gitterlinien einfallende Licht auf die gitterfreien Abschnitte der Anordnung um. Diese Technologie wird im typischen Fall in Verbindung mit Konzentrationselementen angewandt. Eine Übersicht über diese Technologie wird von Zhao u.a. in einem Beitrag gegeben, der den Titel "Improvements in Silicon Concentrator Cells" (Verbesserungen an Silizium- Konzentrationszellen) trägt und in den Proceedings of the 4th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Sydney, Australien, 14. bis 17. Februar 1989, Bd. 2, S. 581, veröffentlicht wurde. Die Anwendurg eines Fresnel-Linsen-Konzentrationselements wird auch in US-PS 4711972 offengelegt. US-A-4379202 legt Sperrschichtzellen offen, die jeweils mit einer transparenten Abdeckung versehen sind, die eine Frontfläche hat, die in Form einer Reihe von ähnlichen konvexen zylindrischen Segmenten ausgeführt ist, um die Strahlung, die andernfalls auf die Gitterlinien einfallen würde, so zu lenken, daß sie auf einen hindernisfreien Abschnitt einfällt, und die so die Verluste durch Schattierung verringert. Die Abdeckung kann durch Pressen oder Extrudieren hergestellt werden. Bei diesen Lösungen nach dem bekannten technischen fand werden ziemlich präzise Linsen eingesetzt, die entweder durch Kleben an einer Sperrschichtzelle befestigt oder in einem Stützrahmen angebracht werden müssen, der in richtiger Ausrichtung im Abstand zu der Sperrschichtzelle angeordnet ist. Der Einsatz von Linsen dieses Typs verlangt Fertigkeit bei der Einordnung und Befestigung. Wenn die Linsen nicht richtig ausgerichte sind, sind sie nicht nur nutzlos, sondern von Nachteil, da sie das Licht zu den Gitterlinien hin, statt von ihnen weg, lenken. Während der Nutzung können solche Bedingungen wie Wärme der Umgebung und/oder mechanischer Stoß zur Fehlausrichtung des Linsenelements führen, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle verringert wird.
Gebraucht wird eine photo-voltaische Anordnung, die eine verringerte Schattierung durch die Gitterlinien hat, die keine präzise Einordnung und Klebebefestigung eines gesonderten Linsenelement erforderlich macht. Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte Sperrschichtzelle mit einer verringerten Schattierung sowie ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Zelle vor. Nach der vorliegenden Erfindung wird die lichtleitende Optik integral mit der photo-voltaischen Anordnung in einem Schritt bei der Herstellung geschaffen. Das ergibt ein Verfahren mit geringen Kosten, einem hohen Wirkungsgrad und einer hohen Genauigkeit für die Herstellung von photo-voltaischen Anordnungen, die einen erhöhten Wirkungsgrad haben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ebenso angewendet werden für die Herstellung von einzelnen Zellen wie für die Herstellung von Modulen, die miteinander verbundene Zellen umfassen. Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den folgenden Zeichnungen, Ausführungen und der Beschreibung ersichtlich).
Applied Optics, Bd. 26, Nr. 17, 1. September 1987. S. 3594 bis 3599, legt den Einsatz einer Prägeform für die Herstellung einer Linsengruppe offen, die Teil einer Avalanche-Photodiodengruppe ist. Die Linsengruppe wird dadurch gebildet, daß zuerst in Silizium eine Gruppe von Prismen mit schmalem Oberteil geschaffen wird, wozu selektive Ätztechniken an [100]- orientiertem Einkristallsilizium angewendet werden. Dieses Huster wird dann im Vakuumpreßverfahren in Glas eingedrückt, um eine Gruppe von Trapezen zu schaffen. Die Gruppe der Trapeze wird dann unter Verwendung eines langnoppigen Poliertuches poliert, um aus den Trapezen angenäherte Zylinder zu schaffen.

ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es wird hier ein Verfahren für die Herstellung einer photovoltaischen Anordnung beschrieben, die eine verminderte Schattierung durch die Kollektor-Gitterlinien hat. Das Verfahren schließt den Schritt der Bereitstellung einer Sperrschichtzelle ein, die eine Bodenelektrodenschicht, einen photo-voltaischen Körper, der oben auf der Bodenelektrodenschicht angeordnet ist, und eine obere Elektrodenschicht hat, die oben auf dem photo-voltaischen Körper angeordnet ist. Die Sperrschichtzelle schließt außerdem eine elektrisch leitende, stromsammelnde Gitterlinie ein, die in elektrischer Verbindung der oberen Elektrodenschicht zugeordnet ist. Das Verfahren schließt die weiteren Schritte des Anordnens einer Schicht aus prägefähigem, transparenten Vergußmaterial oben auf der oberen Elektrodenschicht, des Bereitstellens einer Prägeform, die wenigstens ein rillenbildendes Element einschließt, und des Ausrichtens der Form mit der Sperrschichtzelle ein, so daß sich das rillenbildende Element im Eingriff mit wenigstens einem Abschnitt der Länge der Gitterlinie und in Kontakt mit der Schicht des Vergußmaterials befindet. Das Verfahren schließt außerdem den Schritt des Zusammendrückens der Prägeform und der Sperrschichtzelle, um so eine Rille in die Schicht des Vergußmaterials zu prägen, und den abschließenden Schritt des Abnehmens der Prägeform ein. Auf diese Weise wird eine Sperrschichtzelle geschaffen. die eine mit der Schicht des Vergußmaterials integrale Rille hat. Die Rille bewirkt, daß das einfallende Licht von der Gitterlinie weg gelenkt wird um so die Schattierungswirkungen zu verringern, die durch diese verursacht werden. Bei speziellen Ausführungsbeispielen ist die transparente prägefähige Schicht eine Schicht aus einem synthetiscyen organischen polymeren Material, wie beispielsweise Ethylenvinylacetat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylacetat, Polystyrol Polyurethan und deren Kombinationen. Bei speziellen Ausführungsbeispielen wird ein zweistufiges Verfahren angewendet, bei dem die Zelle und das Vergußmaterial zuerst laminiert werden, um eine selbsttragende Struktur zu schaffen, die anschließend in einem zweiten Schritt geprägt (und wahlweise vernetzt) wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Prägeform erhitzt, und das Zusammendrücken wird bei Drücker von annähernd einer Atmosphäre ausgeführt. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Schicht aus transparentem polymeren Material eire Schicht als einem thermisch vernetzbaren Material, und sie wird ausgehärtet, währens die Rille geprägt wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann angewendet werder für die Herstellung von großflächigen Modulen, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Zellen umfassen, und es schließt den anfängliches Schritt des Bereitstellens einer Vielzahl von Sperrschichtzellen auf einem Stützelement und des Einkapselns dieser Zellen mit einer Schicht eines transparenten Vergußmaterials ein. Das Verfahren schließt den weiteren Schritt des Bereitstellens einer Vielzahl von Prägeformen, die jeweils wenigstens ein rillenbildendes Element einschließen, sowie die Schritte des Ausrichtens der Formen mit den entsprechenden Sperrschichtzellen und des Zusammendrückens der Formen und der Zellen ein. Das Ausrichten kann so ausgeführt werden, daß in den Stützabschnitt des Moduls Ausrichtungslöcher gestanzt werden und daß die Formen mit Stiften versehen werden, die so konfiguriert sind, daß sie in die Löcher passen. Auf diese Weise können die Formen im Verhältnis zu den einzelnen Zellen des Streifens richtig ausgerichtet werden, wodurch die Probleme entfallen, die aus einer leichten Fehlausrichtung zwischen einzelnen Zellen resultieren.
Die vorliegende Erfindung schließt außerdem eine verbesserte Sperrschichtzelle ein, die nach dem Verfahren hergestellt wurde und ein optisches Element einschließt, das integral mit der Schicht des Vergußmaterials gebildet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Abschnitts einer Sperrschichtzelle nach dem bekannten technischen Stand, der das Problem der Schattierung durch die Gitterlinien veranschaulicht;
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Abschnitts einer Sperrschichtzelle, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und die Art und Weise veranschaulicht, in der die Schattierung durch die Gitterlinien verringert wird;
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Prägeform, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 4 ist eine Draufsicht eines großflächigen photo-voltaischen Moduls, das nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 5 ist eine Draufsicht einer Prägeform des Typs, der bei der Herstellung des Moduls von Fig. 4 eingesetzt wird;
Fig. 6 ist ein Querschnitt eines Abschnitts einer Sperrschichtzeile, der eine andere Konfiguration der Rille veranschaulicht;
Fig. 7A ist ein Querschnitt einer Sperrschichtzelle, der eine besondere Konfiguration einer Rille veranschaulicht, die nach der vorliegenden Erfindung strukturiert wurde; und
Fig. 7B ist ein Querschnitt der Zelle von Fig. 7A, die in einem schiefen Winkel beleuchtet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die einen Querschnitt eines Abschnitts einer Sperrschichtzelle nach dem bekannten technischen Stand zeigt, der das Problem der Schattierung durch die Gitterlinier veranschaulicht. Die Zelle schließt ein Substrat 10 ein, das in diesem Fall ein metallisches Substrat ist, das auch als Bodenelektrodenschicht dient Unmittelbar oben auf dem elektrisch leitenden Substrat 10 ist ein Körper des photo-voltaischen Materials 12 angeordnet, und unmittelbar oben auf der Lichteinfallseite des photo-voltaischen Körpers 12 befindet sich eine obere Elektrodenschicht 14. Die obere Elektrodenschicht 14 wird vorzugsweise aus einem transparenten Material hergestellt, um den Lichtdurchgang durch diese zu ermöglichen. Der oberen Elektrodenschicht 14 ist eine Gitterlinie 15 zugeordnet, die das Sammeln des Stromes von der oberen Elektrodenschicht 14 und dessen Weiterleitung zu einer Sammelschiene oder einem anderen Anschluß bewirkt. Die obere Fläche, d.h., die Lichteinfallfläche, der photo-voltaischen Anordnung wird durch eine Schicht eines transparenten Vergußmaterials 18 geschützt.
Es gibt eine große Vielfalt von Materialien, die für die Herstellung der photo-voltaischen Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Bodenelektrodenschicht wird aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und kann, wie oben ausgeführt wurde, auch als Stützsubstrat für die Anordnung dienen. Aus diesem Grund ist rostfreier Stahl mit einer Stärke von etwa 0,2 mm (8 Milliinch) ein bevorzugtes Material. Andere Substrate schließen solche elektrisch isolierenden Materialien wie polymere Körper, Glas oder Keramik ein, und in diesen Fällen wird die Elektrodenschicht oben aut diese aufgebracht. Der photo-voltaische Körper 12 bewirkt, wie Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist, daß die einfallenden Photonen absorbiert und in Reaktion darauf Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, und daß die Glieder dieser Paare getrennt und zu den entsprechenden Elektroden 10, 14 der Zelle gelenkt werden. Es gibt eine große Vielfalt von photo-voltaischen Materialien, die Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes dieser Materialien begrenzt. Einige der bevorzugten Materialien sind solche Dünnfilmmaterialen wie die fluorierten Silizium- und Germaniumlegierungen, auf die oben verwiesen wurde, sowie Cadmiumtellurid, Galliumarsenid, Kupfer-Indiumdiselenid Einkristallsilizium und ähnliche. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der photo-voltaische Körper wenigstens eine Dreiergruppe aus Siliziumlegierungsmaterial, die eine Schicht eines I-Materials 12a einschließt, die zwischen die Legierungsmaterialien des N-Typs 121) und des P-Typs 12c eingefügt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine der N-Typ-Schicht 12b und der R-Typ-Schicht 12c eine mikrokristalline Schicht, vorzugsweise die Schicht, die an der Lichteinfallseite der photo-voltaischen Anordnung liegt. In einigen Fällen wird eine Reihe von Dreiergruppen von Materialien des N-I-P- (oder des P-I-N-) Typs übereinander gestapelt, um einen erhöhten Wirkungsgrad und eine größere Sensitivität zu erreichen.
Die obere Elektrodenschicht 14 ist, wie oben ausgeführt wurde, vorzugsweise ein transparenter Körper, und es steht eine ganze Reihe von stark entarteten Halbleitern wie Indium-Zinnoxid und ähnlichen zur Verfügung, die für die obere Elektrodenschicht eingesetzt werden können. Die Gitterlinie 16 wird vorzugsweise aus einer elektrisch leitenden Tinte oder Paste hergestellt, oder sie kann ein metallischer Körper sein, der auf die obere Elektrodenschicht geklebt wird. In einigen Fällen wird die Gitterlinie 16 unter der oberen Elektrodenschicht 14 angeordnet oder in diese eingebettet. Aus diesem Grund und im Kontext der vorliegenden Erfindung wird daher die Gitterlinie 16 als elektrisch der oberen Elektrodenschicht 14 zugeordnet beschrieben. Die Schicht des Vergußmaterials 18 schützt die Komponenten der Sperrschichtzelle gegenüber der Umwelt und vor mechanischer Beschädigung. Die Schicht des Vergußmaterials 18 wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das sehr transparent und inert ist. Organische Polymere bilden die für diese Schicht am meisten bevorzugten Materialien, und Ethylenvinylacetat (EVA) ist ein besonders bevorzugtes Material. Vernetzbares Ethylenvinylacetat, das für die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, wird von der Du Pont de Nemours, E. I. & Company, verkauft. Andere bevorzugte Materialien schließen Fluorelastomere, Polyurethan, Polystyrole und Polyvinylaretat sowie verschiedene Siliziumverbindungen ein. In einigen Fällen wird eine zweischichtige Struktur aus Fluorpolymere/EVA eingesetzt.
Fig. 1 veranschaulicht die Art und Weise, in der Sperrschichtzellen nach dem bekannten technischen Stand durch die Probleme auf Grund der Schattierung durch die Gitterlinien beeinträchtigt werden, die festgestellt werden kann, fällt ein Photonenfluß 20 auf die Anordnung ein. Diejenigen Photonen, die auf die Gitterlinie 16 auftreffen, werden absorbiert oder, in einigen Fällen, reflektiert, und stehen folglich nicht zur Verfügung. um in den photo-voltaischen Körper einzudringen und Ladungsträger zu erzeugen. Diese Photonen stellen effektiv einen Verlust im Wirkungsgrad der Zelle dar.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine photo-voltaische Anordnung zeigt, die allgemein gleich der aus Fig. 1 ist, aber eine transparente Schicht aus Vergußmaterial 18' umfaßt, die so konfiguriert ist, daß sie ein integrales optisches Element in Form einer Rille einschließt, die im Bereich der Gitterlinie 16 angeordnet ist. Die speziell konfigurierte transparente Vergußmaterial-Schicht 18' bewirkt, daß das einfallende Licht 20 von der Gitterlinie 16 weg und in den photovoltaischen Körper 12 gebeugt wird. Auf diese Weise werden die Verluste durch Schattierung, die durch das Vorhandensein der Gitterlinien 16 verursacht werden, minimiert. Infolgedessen können die Gitterlinien breiter und damit länger gemacht werden, und die Größe der Zelle kann stark erhöht werden.
Da das lichtlenkende optische Element der vorliegenden Erfindung integral mit der transparenten Vergußschicht 18' gebildet wird, entfallen die Probleme, die mit dem Ausrichten und Aufkleben eines gesonderten optischen Elements in Verbindung stehen. Nach der vorliegenden Erfindung wird das als Rille ausgebildete optische Element erst nach dem Vergießen der Sperrschichtzelle in der Schicht gebildet, und die Probleme, die durch die Fehlausrichtung und/oder Ablösung eines gesonderten optischen Elements verursacht sind, werden ausgeschlossen.
Bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das als Rille ausgebildete optische Element in der transparenten Vergußmaterial-Schicht durch ein Prägeverfahren gebildet, bei dem eine Form eingesetzt wird, die allgemein gleich derjenigen ist, die im Querschnitt in Fig. 3 gezeigt wird. Die Form 22 in Fig. 3 wird vorzugsweise aus einem Metall, aus Keramik oder einem anderen haltbaren Material mit guten Eigenschaften der Wärmeübertragung hergestellt und schließt eine Reihe von rillenbildenden Vorsprüngen 24 auf deren Fläche ein. Der Abstand zwischen benachbarten rillenbildenden Abschnitten wird so gewählt, daß er dem Abstand zwischen Gitterelementen in einer gegebenen Konfiguration der photo-voltaischen Anordnung entspricht.
Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird einer Sperrschichtzelle zuerst mit einer oberen Schicht aus Vergußmaterial wie der polymeren Schicht 18 versehen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben worden ist. Diese Schicht wird durch ein Laminierungsverfahren befestigt, das bei einer mäßigen Temperatur ausgeführt wird, um ein Vernetzen des Vergußmaterials zu verhindern. Die so hergestellte Struktur ist ausreichend fest, um der anschließenden Handhabung und Verarbeitung standzuhalten. Im zweiten Schritt wird eine Prägeform, die im allgemeinen der aus Fig. 3 gleich ist, so mit der Sperrschichtzelle ausgerichtet, daß deren rillenbildende Abschnitte 24 im wesentlichen mit den Gitterelementen ausgerichtet sind. Zu diesem Zeitpunkt werden die Form 22 und die Zelle zusammengedrückt, um so das Rillenmuster in die transparente Schicht einzuprägen, um eine ähnliche Struktur wie die Schicht 18' in Fig. 2 zu schaffen. Das Verfahren kann dadurch erleichtert werden, daß die Prägeform 22 erhitzt wird. Im allgemeinen kann mit jeder Kombination von Parametern, die eine relativ permanente Verformung der Vergußschicht bewirkt, gearbeitet werden. Es wurde jedoch als nach der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft festgestellt, wenn mit einem Vergußmaterial gearbeitet wird, das vernetzbar ist, d. h. einem Material, das bei erhöhten Temperaturen vernetzt und aushärtet, um eine permanente Struktur zu schaffen. Die oben genannten EVA-Polymere erfüllen diese Kriterien, da sie anfänglich bei einer Temperatur von etwa 60ºC weich werden und anschließend vernetzen, um bei einer Temperatur von etwa 140ºC eine harte Schicht zu bilden. Diese Eigenschaften erlauben es den rillenbildenden Elementen, zunächst in die Schicht einzudringen und sie zu formen und sie anschließend zu härten, wodurch bewirkt wird, daß sie ihre Form und die dadurch erzeugten optischen Eigenschaften behält. Bei einem typischen Verfahren unter Einsatz einer EVA-Schicht wird die Form auf etwa 150ºC erhitzt, und es wird ein auf die Form wirkender Druck von einer Atmosphäre für die Dauer von etwa 30 min aufrechterhalten. In einigen Fällen können die anfängliche Laminierung und das Prägen in einem einstufigen abgestimmten Verfahren ausgeführt werden.
Häufig ist es wünschenswert, Sperrschichtzellen von geringerer Fläche miteinander zu einem großflächigen Modul zu verbinden, um auf diese Weise eine größere spannung- und/oder energieerzeugende Kapazität zu schaffen. Die vorliegende Erfindung kann leicht auf die Anwendung in Verbindung mit der Herstellung von großflächigen Modulen abgestimmt werden. Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, die ein großflächiges photo-voltaisches Modell 30 zeigt, das aus vier einzelnen Sperrschichtzellen 32, 34, 36, 38 besteht die auf einem Stützsubstrat 40 angeordnet sind. Die einzelnen Zellen 32, 34, 36, 38 schließen jeweils eine Vielzahl von auf diesen gebildeten Gitterlinien 16 ein. Jede Gitterlinie ist elektrisch mit einer Sammelschiene 42 verbunden, die am Umfang der Zelle angeordnet ist. Die einzelnen Zellen 32, 34, 36, 38 des Moduls 30 von Fig. 4 sind untereinander in Reihenschaltung mit Hilfe von elektrisch leitenden Verbindungsdrähten 44 verbunden, welche die Sammelschienen 42 einer ersten Zelle mit der Bodenelektrode einer benachbarten Zelle verbinden Das Modul schließt außerdem ein Paar Ausgangsklemmen 46, 48 ein, die elektrisch mit der Sammelschiene 42 der Zelle 38 und mit der Bodenelektrode der Zelle 32 verbunden sind. In dieser Phase werden die einzelnen Zellen zu einer einzigen großflächigen Anordnung, wie das oben ausgeführt wurde, durch mäßige Wärme und Druck laminiert (im typischen Fall 60ºC, wenn EVA das Laminierungsmaterial ist). Anhand der Abbildung kann festgestellt werden, daß die einzelnen Zellen 32, 34, 36, 38 auf dem Substrat 40 nicht alle gleichmäßig ausgerichtet sind. Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Einprägen eines Rillenmusters in die Zellen vor, ohne Berücksichtigung jedweder Anforderungen an die Ausrichtung zwischen den einzelnen Zellen, und vereinfacht dadurch die Herstellung des Moduls. Anhand der Abbildung kann festgestellt werden, daß jede der Zellen 32, 34, 36, 38 vier Ausrichtungslöcher 50a, 50b, 50c, 50d hat, die diesen zugeordnet sind. Nach dem anfänglichen Laminieren werden diese Löcher durch das Substrat 40 gestanzt, und sie werden unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der einzelnen Zelle ausgerichtet und dienen als Führung bei der Ausrichtung für das Aufsetzen der Prägeform. Das Stanzen der Ausrichtungslöcher 50 kann unter Verwendung einer Schablone erfolgen, die Kennzeichnungen hat, die mit dem Gittermuster oder einem anderen Merkmal der Zelle ausgerichtet werden und die dazu dienen, die Stanzwerkzeuge richtig zu positionieren.
Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die eine Draufsicht einer Prägeform 52 zeigt, die allgemein gleich der in Fig. 3 gezeigten ist, aber außerdem vier darauf angeordnete Ausrichtungsstifte 54 einschließt. Diese Stifte dienen, wenn sie in die entsprechenden Stiftlöcher im Modul eingeführt werden, dazu, die rillenbildenden Elemente 24 der Form 52 mit den Gitterlinien 16 auszurichten. Wenn das Modul fertiggestellt werden soll, werden einzelne Formen unter Verwendung der Ausrichtungsstifte 54 mit den einzelnen Zellen in Eingriff gebracht, und die gesamte Gruppe wird, vorzugsweise unter Erwärmung, zusammengedrückt, um die Bildung der Rillen zu bewirken.
Zwar wurden die Pillen in den bisher erwähnten Abbildungen als geradflankige Rillen mit dazwischenliegenden flachen Abschnitten dargestellt, die vorliegende Erfindung kann aber auch mit anderen Rillenstrukturen ausgeführt werden. Beispielsweise stellt Fig 6 eine gekrümmte Rillenstruktur dar, die abgerundete, linsenförmige Abschnitte 60 zwischen benachbarten Gitterelementen 16 hat. Fachleuten auf diesem Gebiet werden viele andere Varianten offenkundig sein. Beispielsweise kann durch die Wahl der Breite und des Winkels der Rillen die Lumineszenzaufnahme variiert werden, um jahreszeitlichen Schwankungen in der Richtung der Sonneneinstrahlung Rechnung zu tragen. Breitere Rillen tendieren dazu, mehr Licht zu sammeln, eine Rille, die zu breit ist, kann jedoch eine Umlenkung des Lichts auf benachbarte Gitterlinien bewirken. Ein Fachmann könnte die Parameter von Abstand der Gitterlinien und der Rillenformen leicht so steuern, daß eine Minimierung der Schattierung und eine Maximierung der Energieleistung erreicht werden.
Fig. 7A und 7B veranschaulichen ein spezielle Konfiguration von Breite und Winkel der Rille, die so optimiert wurden, daß den unterschiedlichen Winkeln der Sonneneinstrahlung Rechnung getragen wird. Fig. 7A stellt eine spezielle Konfiguration einer photo-voltaischen Anordnung dar, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut wurde. Die Anordnung aus Fig. 7A schließt eine obere Vergußschicht 18 ein die im allgemeinen den vorher beschriebenen entspricht und etwa 0,95 mm stark ist. Die Anordnung schließt außerdem eine Gitterlinie 16 ein, die eine Breite von 0,3 mm hat. Die Rille, die in der Vergußschicht gebildet wird, bildet einen Winkel "A" von etwa 42º mit der senkrechten Halbierenden der Rille, die durch die gestrichelte Linie angegeben wird. Die Breite der Rille, gemessen quer zur Oberseite der Schicht 18, beträgt etwa 0,8 mm.
Wie in Fig. 7A gezeigt wird, fällt ein Strom von Licht 20 in einer Richtung senkrecht zur oberen Fläche der Anordnung auf die Anordnung ein. Wie festgestellt werden kann, wird das Licht von der Gitterlinie 16 weg gelenkt. Fig. 7B ist eine Darstellung derselben photo-voltaischen Anordnung, bei welcher der Lichtstrom 20 in einem Winke von etwa 70º (um 20º gegenüber der Senkrechten versetzt) auf deren Oberfläche einfällt. Es kann festgestellt werden, daß diese besondere Konfiguration der Rille noch immer bewirkt, daß die Schattierung stark minimiert wird. Nur ein geringer Teil des Lichtes fällt tatsächlich auf die Gitterlinie 16 ein.
Der spezielle Winkel und die Breite einer Rille sind von der Stärke der darunterliegenden Schicht und von der Breite der Gitterlinie abhängig. Die Berechnung der Rillenkonfiguration kann unter Anwendung der Grundprinzipien der Optik leicht von einem Fachmann auf diesem Gebiet vorgenommen werden. Die vorstehenden Zeichnungen und die Beschreibung veranschaulichen spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und sind keine Einschränkungen für deren Ausführung. Den Rahmen der Erfindung definieren die folgenden Ansprüche.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer photo-voltaischen Anordnung, die eine verminderte Schattierung der einfallenden Beleuchtung durch die Kollekto- Gitterlinien hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen einer Sperrschichtzelle, wobei diese Zelle eine Bodenelektrodenschicht, einen photo-voltaischen Körper der oben auf der Bodenelektrodenschicht angeordnet ist, eine obere Elektrodenschicht, die oben auf dem photo-voltaischen Körper angeordnet ist, und eine elektrisch leitende, stromsammelnde Gitterlinie in elektrischer Verbindung mit der oberen Elektrodenschicht hat;

Anordnen einer Schicht aus einem prägefähigen, transparenten organischen, polymeren Vergußmaterial direkt oben auf der oberen Elektrodenschicht;

Bereitstellen einer Prägeform, wobei die Form wenigstens ein rillenbildendes Element einschließt;

Ausrichten der Prägeform mit der Sperrschichtzelle, so daß deren rillenbildendes Element mit wenigstens einem Abschnitt der Länge der Gitterlinie im Eingriff und mit der Schicht des polymeren Vergußmaterials in Kontakt ist, und

Zusammendrücken der Prägeform und der Sperrschichtzelle, um so eine Rille in die Schicht des Vergußmaterials zu prägen und

Abnehmen der Prägeform, wodurch eine Sperrshichtzelle geschaffen wird, die integral mit der Schicht des Vergußmaterials und im Eingriff mit dem genannten Abschnitt der Gitterlinie eine Rille hat, wobei die Rille einfallende Beleuchtung weg von der Gitterlinie lenkt, um so drei schattierende Wirkung zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem der Schritt des Anordnens einer Schicht von Vergußmaterial oben auf der oberen Elektrodenschicht der weiteren Schritt des Laminierens dieser Schicht auf die obere Elektrodenschicht einschließt und bei dem die Schritte des Ausrichtens und des Zusammendrückens nach diesem Laminierungsschritt ausgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anordnens der Schicht aus organischem, polymeren Material den weiteren Schritt einschließt, dieses Material aus der Gruppe auszuwählen, die aus Ethylenvinylacetat, Polytetrafluorethylen Polyvinylfluorid, Polyvinylacetat, Polystyrol, Polyurethan und deren Kombinationen besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das polymere Material ein thermisch vernetzbares Material ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, einschließlich des weiteren Schritts des Erwärmens der Prägeform.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Erwärmens der Form das Erwärmen auf eine Temperatur von annähernd 150ºC umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Zusammendrückens der Sperrschichtzelle und der Form das Zusammendrücken der Zelle und der Form bei einem Druck von etwa 1,01 x 10&sup5; Pa (einer Atmosphäre) umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Zusammendrückens der Sperrschichtzelle und der Form außerdem den Schritt umfaßt, die Zelle und die Form etwa 30 Minuten lang unter Druck zu halten.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens einer Sperrschichtzelle das Bereitstellen einer Sperrschichtzelle umfaßt, die einen photo-voltaischen Körper hat, der wenigstens eine Schicht eines fluorierten Siliziumlegierungsmaterials einschliebt.

10. Verfahren zur Herstellung eines großflächigen photo-voltaischen Moduls, das folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer Vielzahl von Sperrschichtzellen, wobei jede Zelle ein Bodenelektrodenelement, einen photo-voltaischen Körper, der in elektrischer Verbindung mit der Bodenelektrode angeordnet ist eine obere Elektrode, die oben auf dem photo-voltaischen Körper angeordnet ist, und wenigstens eine elektrisch leitende Gitterlinie, die in elektrischer Verbindung der oberen Elektrode zugeordnet ist, umfaßt;

Anordnen der Vielzahl von Zellen in elektrisch verbundener Beziehung auf einem Stützelement;

Anordnen einer Schicht eines transparenten, organischen, polymeren Vergußmaterials direkt oben auf der oberen Elektrode und der wenigstens einen Gitterlinie von jeder der Sperrschichtzellen;

Laminieren des Vergußmaterials auf die Zellen um so eine selbsttragende Baugruppe zu schaffen;

Bereitstellen einer Vielzahl von Prägeformen, wobei jede Form wenigstens ein rillenbildendes Element einschließt,

Ausrichten jeder der Vielzahl von Formen mit jeweils einer der Sperrschichtzellen, so daß sich deren rillenbildendes Element mit wenigstens einem Abschnitt der Länge von einer der wenigstens einen Gitterlinien in Eingriff befindet; und

Zusammendrücken der Formen und der laminierten Baugruppe von Sperrschichtzellen, wodurch die Formen in den Bereichen der Gitterlinien Rillen in der transparenten Vergußschicht bilden, um so integral mit der Schicht des Vergußmaterials ein licht-leitendes optisches Element zu schaffen, um die Schattierung der Gitterlinie zu verringern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Ausrichtens jeder der Formen mit jeweils einer der Zellen folgendes umfaßt.

Bereitstellen von Ausrichtungsstiften an jeder der Vielzahl von Formen;

Bereitstellen von entsprechenden Löchern für die Ausrichtungsstifte in dem Stützelement und

Einführen der Ausrichtungsstifte in die Löcher für die Ausrichtungsstifte.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Anordnens der Zellen in elektrisch verbundener Beziehung auf dem Stützelement den Schritt der Verbindung der Zellen untereinander in einer elektrischen Reihenschaltung umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Bereitstellens einer Schicht von transparentem Vergußmaterial die Auswahl des Materials aus der Gruppe einschließt, die aus Ethylenvinylacetat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyurethan und deren Kombinationen besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 10, das den weiteren Schritt des Erwärmers der Vielzahl von Formen einschließt.