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Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, insbesondere eine Dünnschicht-Solarzelle, mit mindestens einer texturierten Elektrodenschicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Texturierung einer Elektrodenschicht bei einer Solarzelle.
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Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades muss bei einer Solarzelle das gesamte einfallende Licht möglichst weitgehend absorbiert werden. Allerdings ist die Absorptionswahrscheinlichkeit des Lichtes wellenlängenabhängig und lässt mit steigender Wellenlänge nach.
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Insbesondere bei Dünnschicht-Solarzellen stellt dies ein Problem dar. Etwa bei Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium mit einer Absorberschichtdicke von weniger als 400 nm gelingt es nicht, das komplette langwellige Licht zu absorbieren. Das langwellige Licht dringt in die Solarzelle ein, wird am Rückseitenmetall reflektiert und tritt an der lichteinfallenden Seite wieder aus.
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Um eine verbesserte Absorption des langwelligen Lichts zu ermöglichen, stehen zwei Alternativen zur Auswahl.
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Durch eine Vergrößerung der Dicke der Absorberschicht wird der Lichtweg und damit die Absorptionswahrscheinlichkeit vergrößert. Jedoch sind dickere Zellen aufgrund der längeren Abscheidedauer teuerer und die degradieren darüber hinaus über die Lebensdauer deutlich stärker als dünnere Solarzellen (Staebler-Wronski-Effekt).
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Eine zweite Möglichkeit besteht in der Verlängerung des Lichtwegs in der Zelle durch die Verwendung einer texturierten Oberfläche. Durch die Texturierung ergibt sich eine Ablenkung des Lichtes, die den Lichtweg verlängert und die Absorptionswahrscheinlichkeit von Photonen in der Zelle erhöht.
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Im Stand der Technik bekannte Texturen von transparenten Frontkontakten werden bei Zellen des Typs ”Asahi U-Type” (Sn2O:F) entweder durch einen Plasmaprozess hergestellt oder entstehen im Falle im Falle von Zinkoxid entweder nasschemisch (ZnO:Al) oder direkt aus der Gasphase aus den hochtoxischen Gasen Diethylzink und Diboran (ZnO:B).
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Aus O. Kluth et al.: ”Texture etched ZnO:Al coated glass substrates for silicon based thin films solar cells”, thin solid films 351 (1999), 247–253 ist eine geätze Textur bei ZnO:Al-beschichteten Glassubstraten für eine Dünnschicht-Solarzelle auf Siliziumbasis (a-Si:H) bekannt. Es zeigt sich eine gewisse Verbesserung gegenüber Zellen ohne Textur.
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Aus S. Fay et al.: ”Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and micro crystalline silicone solar cells”, solar energy materials and solar cells 90 (2006, 2960–2967, ist eine direkt aus der Gasphase mittels LPCVD abgeschiedene rauhe Oberflächenschicht aus ZnO:B bei amorphen oder mikrokristallinen Siliziumsolarzellen bekannt. Auch hierdurch ergibt sich eine gewisse Verbesserung gegenüber Solarzellen ohne Textur.
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Nach wie vor bleibt jedoch bei den genannten Strukturen der langwellige Anteil des einfallenden Sonnenlichtes insbesondere bei Dünnschicht-Solarzellen aufgrund der kleinen Texturgrößen weitgehend ungenutzt.
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Aus S. Fay et al.: ”Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and micro crystalline silicone solar cells”, solar energy materials and solar cells 90 (2006, 2960–2967, ist eine direkt aus der Gasphase mittels LPCVD abgeschiedene rauhe Oberflächenschicht aus ZnO:B bei amorphen oder mikrokristallinen Siliziumsolarzellen bekannt. Auch hierdurch ergibt sich eine gewisse Verbesserung gegenüber Solarzellen ohne Textur.
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Nach wie vor bleibt jedoch bei den genannten Strukturen der langwellige Anteil des einfallenden Sonnenlichtes insbesondere bei Dünnschicht-Solarzellen aufgrund der kleinen Texturgrößen weitgehend ungenutzt.
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Aus der
US 2010/0 116 332 A1 ist ein transparentes Substrat mit einer verbesserten Elektrodenschicht bekannt, die eine Reliefstruktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen in Form von Tälern aufweist, wobei jeweils benachbarte Täler durch Erhöhungen voneinander getrennt sind und wobei der regelmäßige Abstand von Tal zu Tal je nach Wellenlänge des einfallenden Lichtes zwischen λ/4 und 2λ eingestellt wird, also zwischen 0,1375 μm und 1,5 Mikrometer bei Licht von zwischen 550 und 750 Nanometer, bzw. zwischen 0,2 und 2 μm bei Licht zwischen 800 und 1000 Nanometer bei polykristallinem Silizium.
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Hiermit lässt sich zwar bereits eine gewisse Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen, jedoch ist das Ergebnis nach wie vor nicht zufriedenstellend.
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Aus der
WO 2009/077 605 A2 ist es ferner bekannt, bei einer Solarzelle zur Texturierung der Elektrodenschicht einen Laser zu verwenden. Über die Dimensionierung der verwendeten Texturierung finden sich hierbei jedoch keine Angaben.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Solarzelle zu schaffen, bei der durch eine verbesserte Textur einer Elektrodenschicht der Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Texturierung einer Elektrodenschicht bei einer Solarzelle angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solarzelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines Lasers zur Texturierung der Elektrodenschicht bei einer Solarzelle einerseits ein Muster erzeugt werden kann, das deutlich größere Strukturen aufweist als herkömmliche Texturierungen. Insbesondere durch die Dimensionierung der Texturierung mit einem regelmäßigen Abstand von Tal zu Tal von zumindest 2,5 μm in einer Richtung lassen sich die langwelligen Lichtanteile besser ausnutzen, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
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Es versteht sich, dass die Lasertexturierung natürlich auch in Kombination mit einer herkömmlichen Texturierung, also etwa einer nasschemischen Texturierung, verwendet werden kann.
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Wird die Elektrodenschicht mit einem regelmäßigen Muster lasertexturiert, so treten Beugungserscheinungen auf. Die Beugung wird erfindungsgemäß genutzt, um eine deutlich stärkere Ablenkung des Lichtes als bei üblichen Streuschichten mit Random-Verteilung zu erhalten. So ergibt sich durch ein regelmäßiges Muster bei der Texturierung der Elektrodenschicht eine deutliche Wegverlängerung der in die Solarzelle einfallenden Photonen, was zu einer verbesserten Ausnutzung insbesondere der langwelligen Lichtanteile führt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die lasertexturierte Elektrodenschicht ein Aspektverhältnis von mindestens 0,1, vorzugsweise von mindestens 0,15 auf.
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Mit einem derartigen Aspektverhältnis ergibt sich eine besonders effektive Ausnutzung der langwelligen Lichtanteile.
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Vorzugsweise weist die lasertexturierte Elektrodenschicht auch in einer zweiten, vorzugsweise zur ersten Richtung um 90° verdrehten Richtung, einen regelmäßigen Abstand von Tal (Berg) zu Tal (Berg) der größer als 2,5 Mikrometer und kleiner als 10 μm ist.
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Bei einer derartigen Dimensionierung der Abstände von Tal (Berg) zu Tal (Berg) ergibt sich eine besonders gute Ausnutzung der langwelligen Lichtanteile.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Laser gepulst betrieben.
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Hierdurch kann die Leistung des Lasers in besonders geeigneter Weise gezielt an den gewünschten Stellen mit einer optimalen Tiefe erzeugen, ohne die übrigen Schichten zu beschädigen.
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Hierbei hat sich eine Impulsdauer von höchstens 50 Nanonsekunden, vorzugsweise von höchsten 30 Nanosekunden als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird ein linienfokussierter Laser verwendet. Auf diese Weise lässt sich ein regelmäßiges Muster auf besonders einfache Weise erzeugen, so dass die Texturierung auch zur Beugung benutzt werden kann.
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In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ferner ein im Ultravioletten emittierender Laser verwendet. Durch die hohe Absorption des ultravioletten Lichts im Zinkoxid und seine moderate Wärmeleitung lässt sich die Laserleistung sehr gezielt ins Material bringen, was gleichzeitig eine besondere Anpassung zur Nutzung der langweiligen Lichtanteile mit sich bringt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein Rasterelektronenbild (SEM) einer erfindungsgemäß texturierten Oberfläche. Es ist zu erkennen, dass die Texturierung mit Hilfe des Lasers rasterförmig mit einem Abstand von Tal zu Tal in der Größenordnung von etwa 6 bis 7 μm Abstand von Tal zu Tal erfolgt;
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2 im Vergleich dazu die Textur eines Asahi-U-Glases mit einer unregelmäßigen, viel feineren Struktur, die deutlich kleiner als 1 μm ist;
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3 die Oberfläche eines nasschemisch geätzten ZnO:Al im Rasterelektronenmikroskop. Auch hierbei handelt es sich um eine unregelmäßig geformte Oberfläche mit Abständen von Tal zu Tal, die deutlich kleiner als 1 μm ist;
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4 zum Vergleich einen Rasterelektronenbild von einem aus der Gasphase hergestellten ZnO:B von Oerlikon Solar;
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5 die Transmission für eine erfindungsgemäß texturierte Schicht auf einem Glassubstrat in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Vergleich zur Transmission bei einer herkömmlichen Textur der Firma Asahi Glass gemäß dem Asahi-U-Typ;
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6 das Verhältnis des abgelenkten Lichts zum direkt transmittierten Licht, den sogenannten ”Haze” bei einer erfindungsgemäßen Textur;
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7 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarzelle mit schematischer Darstellung eines gestreuten Photons;
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8 ein Beugungsmuster bei Beleuchtung der erfindungsgemäß hergestellten Textur mit einem Helium-Neonlaser der Wellenlänge 633 nm und
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9 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Mehrkammer-Beschichtungsanlage zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
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1 zeigt ein SEM-Bild einer Zinkoxid-Schicht auf einem Glassubstrat, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem gepulsten UV-Laser mit Hilfe eines linienförmigen Laserimpulses in gleichmäßigen Abständen zueinander behandelt wurde, wobei anschließend eine Drehung um 90° erfolgte und wiederum in den gleichen regelmäßigen Abständen die Laserbehandlung erfolgte.
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Die Texturierung wurde mit Hilfe eines UV-Lasers der Wellenlänge 355 nm hergestellt, dessen Strahl eine Zylinderlinse in einer Achse zu einer Linie aufweitet. Die Halbwertsbreite der Linie beträgt A = 4.5 × 430 μm2, Die Pulsdauer bei einer Pulsfrequenz von 10 kHz variiert von 25 ns bis 100 ns in Abhängigkeit der Laserleistung. Zur Verhinderung einer Ausdiffusion von Sauerstoff sind kurze Pulsdauern von höchstens 30 ns von Vorteil. Es zeigt sich eine Rasterstruktur mit etwa 6 bis 7 μm Abstand von Tal zu Tal bzw. von Berg zu Berg. An den Kreuzungspunkten ergeben sich pyramidenartige Erhöhungen.
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Die erzeugte Struktur ist besonders gut als Texturierung für Elektrodenschichten sowohl an der Vorderseite als auch an der Rückseite von Solarzellen geeignet.
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Ein besonderer Vorteil liegt im Verzicht auf nasschemische Ätzbehandlungen und in der Vermeidung von LPCVD-Verfahren, die hochgiftige Gase wie die Diethylzink und Diboran erfordern.
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Zum Vergleich sind in den 2 bis 4 SEM-Bilder von der im Stand der Technik bekannten Oberflächenstrukturen dargestellt, mit einem Asahi-U-Glas gemäß 2, einem nasschemisch geätzten ZnO:Al gemäß 3 und einem aus der Gasphase hergestellten ZnO:B von Oerlikon Solar gemäß 4.
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Bei den herkömmlichen Oberflächen handelt es sich um unregelmäßige Strukturen, die deutlich feiner sind als die erfindungsgemäß hergestellte regelmäßige Textur. Die Abstände von Tal zu benachbartem Tal bzw. von Berg zu benachbartem Berg betragen deutlich weniger als 1 μm.
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Durch die lasertexturierte Struktur ergibt sich infolge der größeren Abstände von Tal zu Tal bzw. von Berg zu Berg eine deutlich bessere Streuung des Lichtes, was insbesondere für die Ablenkung von langwelligem Licht von Vorteil ist.
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Infolge des regelmäßigen Gittermusters führt die erfindungsgemäße Textur gemäß 1 ferner zu Beugungserscheinungen wie aus 8 zu ersehen ist. 8 zeigt das entstehende Beugungsmuster bei Beleuchtung der Oberfläche mit einem Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm. Die Ablenkung des Lichtes über mehrere Ordnungen ist deutlich zu erkennen.
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Durch das Beugungsmuster ergibt sich eine deutlich verbesserte Ablenkung des Lichtes und eine Aufspreizung in einer Ebene senkrecht zum Einfallswinkel. Somit wird insbesondere das langwellige Licht deutlich besser genutzt und trägt zur Verbesserung des Wirkungsgrades insbesondere bei Dünnschicht-Solarzellen bei.
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In 5 ist die gesamte Transmission und die diffuse Transmission einer erfindungsgemäßen Struktur über der Wellenlänge dargestellt. Zum Vergleich ist die diffuse Transmission des Typs Asahi-U-Glas dargestellt.
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Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Textur die diffuse Transmission bei Wellenlängen oberhalb von 400 nm deutlich verbessert wird Aufgrund der periodischen Strukturen und der dadurch einhergehenden Beugung funktioniert die erfindungsgemäße Textur sehr effizient über einen großen Wellenlängenbereich, insbesondere bis in den nahen Infrarotbereich.
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In 6 der Haze, d. h. das Verhältnis der diffusen Transmission zur gesamten Transmission für eine erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarzelle dargestellt. Es zeigt sich, dass bis zu einem Wellenlängenbereich von etwa 800 nm der Haze mindestens 90% beträgt, d. h., dass die Transmission überwiegend diffus ist. Es ergibt sich somit ein deutlich verlängerter Lichtweg für das einfallende Licht, was insbesondere bei den langwelligen Wellenlängenanteilen zu einer deutlich erhöhten Absorptionswahrscheinlichkeit führt.
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Dies ist schematisch in 7 dargestellt.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarzelle, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Der Schichtaufbau der Solarzelle 10 ist etwa wie folgt: Auf einem Substrat 12 aus Glas befindet sich eine Front-Kontaktschicht aus ZnO:Al 14 mit einer Dicke von z. B. 1 bis 2 μm. Dies ist gefolgt von einer aktiven Absorberschicht aus z. B. amorphem Silizium (aSi:H) mit einer Dicke von z. B. 350 nm. Dies ist wiederum gefolgt von einer ZnO:Al Rückkontaktschicht, an die sich eine Rückseitenmetallschicht z. B. aus einer Silber-Aluminium-Legierung anschließt. Die Schichten 14 und 18 sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lasertexturiert.
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Mit 22 ist schematisch ein einfallendes Photon dargestellt, das durch die Lasertexturierung deutlich abgelenkt wird, so dass sich eine erhöhte Absorptionswahrscheinlichkeit aufgrund der Wegverlängerung ergibt. Im Vergleich dazu werden bei herkömmlich texturierten Elektrodenschichten die Photonen insbesondere bei langwelligen Lichtanteilen an der Rückkontaktschicht reflektiert und treten quasi in Einfallsrichtung wieder aus.
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9 zeigt eine insgesamt mit 30 bezeichnete Beschichtungsanlage, die zur Herstellung von erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzellen verwendet werden kann. Es handelt sich um eine Mehrkammer-Beschichtungsanlage. In dieser Anlage kann die Beschichtung eines Substrates in mehreren Beschichtungsschritten sowie die Texturierungsbehandlung mit Hilfe eines Lasers durchgeführt werden. Es handelt sich um eine PECVD-Anlage. Die Anlage besteht aus mehreren Reaktorkammern 36, die über eine Schleuse 34 erreichbar sind. Die Kammer 38 dient zur Lasertexturierung. Auf einer Transporteinrichtung 32 werden Rohlinge herangeführt und über die Schleuse 34 in eine der jeweiligen Behandlungskammern 36 übergeben. In der Beschichtungsanlage 30 erfolgt die grundsätzlich bekannte Herstellung der Dünnschichtsolarzelle in den verschiedenen Beschichtungsschritten. Die Texturierung der Front- und Rückelektrode 14 bzw. 18 erfolgt in der Kammer 38 mit Hilfe eines UV-Lasers mit Linienfokussierung in der zuvor beschriebenen Weise. Die Umsetzung zwischen den verschiedenen Kammern erfolgt mit Hilfe einer geeigneten Handlingeinrichtung (nicht dargestellt).