VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLARZELLE MIT FUNKTIONALEN STRUKTUREN SOWIE MIT DIESEM VERFAHREN HERGESTELLTE SOLARZELLE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie die mit diesem Verfahren hergestellte Solarzelle, insbesondere aus einem kristallinen Halbleiterkörper, auf deren Oberfläche in bestimmten Bereichen funktionale Strukturen, insbesondere integrierte Schaltkreise, angeordnet sind. 0

Solarzellen werden seit vielen Jahren erfolgreich für die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels des photoelektrischen Effekts genutzt.

Mit integrierten Schaltkreisen lassen sich auf kleinstem Raum elektrische Schaltungen 5 realisieren. Ein integrierter Schaltkreis oder eine integrierte Schaltung (engl, integrated circuit, abgekürzt IC) ist eine elektronische Schaltung aus Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten, die vollständig in bzw. auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat integriert ist. Ein integrierter Schaltkreis, der aus einem einzigen Siliziumkristall besteht, wird als Chip bezeichnet. Integrierte Schaltkreise weisen unter- o schiedlichste Einsatzgebiete auf, beispielsweise die Funktion als Hauptprozessor in einem Computer, als Grafikprozessor zur Bereitstellung von Informationen für eine Bildschirmausgabe, als Speichereinheit zum Speichern digitaler Daten, als Sensor zur Wandlung und Verarbeitung von Messwerten, als Signalprozessor zur Verarbeitung analoger und digitaler Signale oder als Digital-Analog- bzw. Analog-Digital-Wandler. 5 Unter einem Prozessor ist hier allgemein eine Verarbeitungseinheit für die Verarbeitung analoger und / oder digitaler Signale zu verstehen.

Gemeinsamer Ausgangspunkt für die Fertigung von Solarzellen und integrierten Schaltkreisen ist ein identisches Ausgangsmaterial, meist Silizium. Dies kann ein rie- o senhafter zylinderförmiger Siliziumeinkristall sein, aber auch amorphes oder polykristallines Silizium. Auch andere Halbleitermaterialien, beispielsweise Germanium, kommen bei der Fertigung zum Einsatz.

Nachfolgend wird beispielhaft der Fertigungsprozess von Solarzellen und integrierten Schaltkreisen mit einem Siliziumeinkristall als Ausgangsmaterial beschrieben. Dieser Siliziumeinkristall wird beispielsweise nach dem Czochralski- oder dem Zo- nenschmelzverfahren aus einer Siliziumschmelze erzeugt. Beide Verfahren sind in dem Lehrbuch Bergmann / Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik Band 6, Festkörper, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 2005, ISBN 3110174855, erläutert. Bevorzugt ist der Siliziumeinkristall p-leitend vordotiert, beispielsweise, in dem der Siliziumschmelze eine geringe Menge Bor untermischt wird. Grundlagen der Halbleiterphysik, wie sie für das Verständnis der Funktionsweise von Solarzellen und integrierten Schaltkreisen vonnö- ten sind, werden beispielsweise in dem Fachbuch von Ashcroft / Mermin, Solid State Physics, Thomson Leaming 1976, ISBN 0030839939, vermittelt.

Für eine Solarzelle werden aus dem Siliziumeinkristall rechteckförmige Platten geschnitten. Diese bereits p-leitend vordotierten Platten werden bevorzugt über Diffusion einseitig n-leitend umdotiert. Eine Solarzelle wirkt bei Beaufschlagung mit Licht daher wie eine riesenhafte flächige Diode und erzeugt elektrisch verwertbare Energie. Sie wird mit Kontakten auf beiden Oberflächenseiten versehen und mit weiteren Solarzellen zu einem leitenden Verbund, einem Photovoltaikmodul, zusammengesetzt und gerahmt.

Für integrierte Schaltkreise werden kreisförmige Scheiben (Wafer) mit einer hohen Maßgenauigkeit der Außenkontur aus dem Siliziumeinkristall geschnitten. Die Maßgenauigkeit der Außenkontur ist nötig, da ein Fertigungsschritt das Projizieren einer hochkomplexen Leiterbahnstruktur auf die Siliziumoberfläche mittels eines optischen Pro- jektionssystems beinhaltet. Leiterbahnstrukturen weisen eine Größenordnung von 100 nm auf.

In Photovoltaikkraftwerken werden für die Erzeugung elektrischer Energie im großen Maßstab viele Photovoltaikmodule miteinander verschaltet. Hier ist die Registrierung der erzeugten Energiemenge eine wichtige Information. Beispielsweise lassen sich so Unterschiede in der erzeugten Energiemenge zwischen verschiedenen Photovoltaik- modulen oder Verbänden von Photovoltaikmodulen detektieren, die jedoch in ihrem Aufbau vergleichbar sein müssen. Starke Abweichungen in der erzeugten Energiemen-

ge weisen insbesondere auf starke Verschmutzung, beispielsweise durch Vogelkot, oder auf Beschädigung, beispielsweise durch Hagelschlag, hin. Betreiber größerer Photovoltaikkraftwerke können somit indirekt Informationen über den Betriebszustand einzelner Photovoltaikmodule erhalten. Ein Verfahren zur Betriebsüberwachung einer Photovoltaikanlage mittels einer zusätzlichen elektrischen Schaltung ist beispielsweise aus EP 1 398 687 A2 bekannt.

Da Photovoltaikmodule, insbesondere solche, die an abseits gelegenen unbewohnten Gebäuden montiert oder auf ungesicherten Freilandanlagen befindlich sind, vor Dieb- stahl nicht sicher sind, gewinnt die Absicherung von Photovoltaikmodulen gegen Diebstahl zunehmend an Bedeutung. Aus WO95/25374 ist eine Lösung bekannt, die bei Unterbrechung der elektrischen Verbindung eines Photomoduls mittels einer zusätzlichen elektrischen Schaltung einen Alarm auslöst und damit ein schnelles Reagieren auf den Diebstahl ermöglicht.

Aus DE 199 38 199 C1 ist ein Photovoltaikmodul bekannt, das zum Senden und Empfangen hochfrequenter elektromagnetischer Wellen ausgebildet ist. Dabei werden die elektrisch leitenden Kontakte des Photovoltaikmoduls gleichzeitig als Antennenelement genutzt. Das Senden und Empfangenerfolgt mittels zusätzlich angebauter elektrischer Schaltkreise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit erweiterten integrierten Funktionen anzugeben. Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 in erfinderischer Weise gelöst.

Hierzu wird, wie bereits beispielhaft beschrieben, zunächst gemäß dem Stand der Technik auf einer Halbleiterstruktur über die gesamte Fläche ein p-n-übergang erzeugt. Anschließend werden auf der Oberfläche der Solarzelle funktionale Strukturen angeordnet. Hierzu kommen die von der Herstellung integrierter Schaltkreise bekannten Techniken zum Einsatz. Anschließend wird die Solarzelle mit Kontakten auf beiden O- berflächenseiten versehen. Hierbei werden Bereiche mit funktionalen Strukturen ausgespart. Die Solarzelle wird anschließend entweder einzeln verwendet oder mit weiteren Solarzellen zu einem leitenden Verbund, einem Photovoltaikmodul, zusammenge-

- A - setzt und gerahmt. Durch die Kombination der Fertigungsprozesse für Solarzellen und integrierte Schaltkreise können die bereits bestehenden Fertigungsprozesse weitgehend unverändert beibehalten werden, was zu einer kostengünstigen Produktion der Solarzelle führt.

Anspruch 2 betrifft insbesondere eine nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellte Solarzelle. Die übrigen Unteransprüche enthalten teilweise zweckmäßige und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen der Erfindung.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 hergestellte Solarzelle erzeugt die für den Betrieb der funktionalen Strukturen nötige elektrische Energie selbst. Die funktionalen Strukturen sind zudem untrennbar mit der Solarzelle verbunden. Damit ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau. Die Entwicklung aufwändiger zusätzlicher externer Schaltungen zur Bereitstellung von Funktionen entfällt.

Bevorzugt handelt es sich bei diesen funktionalen Strukturen um integrierte Schaltkreise oder um die Kombination aus integrierten Schaltkreisen und weiteren elektrischen Elementen, wie Transistoren, Leitern, Widerständen und Induktivitäten. Die Solarzelle kann auf diese Weise mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Da die Solarzelle und die funktionalen Strukturen aus dem selben Trägerwerkstoff gefertigt sind, ist über die Kombination der Herstellungsverfahren für Solarzellen und integrierte Schaltkreise eine besonders einfache Fertigung erzielbar. Da zudem für die Solarzelle ein kompletter Wafer eines Halbleitermaterials als Ausgangsmaterial dient, besteht kein Zwang zur Miniaturisierung der integrierten Schaltkreise: bezogen auf die Gesamtfläche der Solar- zelle umfassen die integrierten Schaltkreise nur einen geringen Flächenanteil. Somit können diese integrierten Schaltkreise im Vergleich zu heute üblichen integrierten Schaltkreisen größer ausgeführt werden. Die Positionierung des Wafers bei einem photolithographischen Belichtungsverfahren ist daher im Vergleich weniger kritisch. Aufwändige Positionierungsverfahren im Vorfeld des Belichtungsverfahrens sind daher nicht notwendig. Durch die größere Ausführung der Strukturen der integrierten Schaltkreise sinkt außerdem der Ausschuss bei der Produktion beträchtlich.

In einer vorteilhaften Variante ist ein integrierter Schaltkreis auf der Solarzelle angeordnet, der ein ortbares Signal generiert. Dieses ortbare Signal kann auch Ortskoordinaten beinhalten, die beispielsweise aus von Satelliten abgestrahlten Signalen von diesem oder einem weiteren integrierten Schaltkreis ermittelt werden. Am Ort eines Empfän- gers ist somit die momentane Position der Solarzelle ermittelbar, so lange die Einstrahlungsleistung dafür ausreichend ist.

Bei Diebstahl wird die Solarzelle oder ein Photovoltaikmodul, in das diese Solarzelle verbaut ist, an einen anderen Ort verbracht. Wenn während des Diebstahls die Ein- Strahlungsleistung nicht für die Generierung eines ortbaren Signals ausreicht, beispielsweise, weil der Diebstahl nachts ausgeführt wird oder aber, weil die Solarzelle mit einer Abdeckung oder Plane versehen wird, ist in diesem Zeitraum keine Lokalisierung der Solarzelle möglich. Wird hingegen während des Diebstahls das ortbare Signal generiert, ist ein Fluchtweg eines Diebes nachverfolgbar, so dass schon zu diesem Zeit- punkt Maßnahmen zur Ergreifung des Diebes eingeleitet werden können.

Eine erneute Inbetriebnahme der Solarzelle oder eines Photovoltaikmoduls, in das eine solche Solarzelle integriert ist, führt jedoch in jedem Fall zur Generierung des ortbaren Signals, die Solarzelle kann über die Ortsinformation lokalisiert werden und es können Maßnahmen zur Wiederbeschaffung der Solarzelle und zur Ergreifung der Diebe eingeleitet werden. Eine Inbetriebnahme der Solarzelle ist daher für den Dieb immer mit dem Risiko seiner Lokalisierung verbunden. Daher ist ein sicherer Diebstahlschutz der Solarzelle gewährleistet.

Zur eindeutigen Identifizierung einer Solarzelle ist es zweckmäßig, mit dem ortbaren Signal eine Kennung zu senden, beispielsweise eine Seriennummer, um eine eindeutige Information zu erhalten, von welcher Solarzelle das ortbare Signal generiert wurde. Da der integrierte Schaltkreis auf der Solarzelle angeordnet ist, ist ein Entfernen dieses Schaltkreises bei einem Diebstahl nicht oder nur unter einem großen Zeitaufwand mög- lieh. Zudem riskiert der Dieb eine Beschädigung der Solarzelle oder des gesamten Photovoltaikmoduls.

In einer zweckmäßigen Variante erfasst mindestens ein integrierter Schaltkreis Betriebsdaten, wie die von der Solarzelle oder einem Photovoltaikmodul erzeugte Einstrahlungsleistung. Aus der Einstrahlungsleistung und der Temperatur der Solarzelle ist die Umgebungstemperatur der Luft errechenbar. Das ortbare Signal wird mit den ge- messenen Werten versehen. Diese Werte sind am Ort eines Empfängers weiterverar- beitbar. Die Messung der Einstrahlungsleistung wird indirekt, wenn ihr Wert sehr stark abfällt, zu einer Detektierung von Beschädigungen oder Verschmutzungen der Solarzelle genutzt. Außerdem ist ermittelbar, welches Maß an elektrischer Energie von der Solarzelle erzeugt wird. Die Einstrahlungsleistung und die daraus errechnete Umge- bungstemperatur sind zudem meteorologisch von Bedeutung. Ihre übermittlung gemeinsam mit der Ortsinformation an ein meteorologisches Institut hilft beispielsweise, anhand zusätzlicher Daten die zur Wettervorhersage genutzten Modelle zu optimieren.

Zweckmäßig ist zwischen den auf der Solarzelle angeordneten integrierten Schaltkrei- sen ein Datenaustausch möglich. Auf diese Weise können die von sämtlichen integrierten Schaltkreisen gemessenen Daten an die Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Damit ist die Aufteilung verschiedener Messaufgaben an unterschiedliche integrierte Schaltkreise möglich. Eine derartige Vorgehensweise hat insbesondere den Vorteil, dass unterschiedliche Funktionen nach einem Baukastenprinzip kombinierbar sind und keine hochkomplizierten integrierten Schaltkreise für Spezialaufgaben entwickelt werden müssen.

Der einkristalline Halbleiterkörper, auf dem die Solarzelle und die integrierten Schaltkreise angeordnet sind, ist bevorzugt aus Silizium oder Galliumarsenid gefertigt. Es kann sich hierbei um einen Einkristall, um einen polykristallinen oder um einen amorphen Halbleiterkörper handeln.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine dieser Solarzellen Bestandteil eines Photo- voltaikmoduls. Auf diese Weise sind die funktionalen Strukturen für das gesamte Pho- tovoltaikmodul verwertbar. Zudem können in Photovoltaikkraftwerken neue Photovol- taikmodule oder Verbünde von Photovoltaikmodulen derart integriert werden, dass lediglich eine Anbindung dieser Photovoltaikmodule an eine Einspeiseeinheit nötig ist.

Eine aufwändige Verdrahtung einzelner Solarzellen ist insbesondere bei Einsatz einer Funkeinheit zur Datenübertragung einsparbar.

Da außerdem die Solarzelle mit den integrierten Schaltkreisen mit den anderen Solar- zellen des Photovoltaikmoduls fest, beispielsweise über Rahmung verbunden ist, ist bei Generierung eines ortbaren Signals eine Lokalisierung des gesamten Photovoltaikmoduls bei Entwendung jederzeit möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in der Draufsicht schematisch ein Photovoltaikmodul mit einer integrierten erfindungsgemäßen Solarzelle 1

Fig. 2 in der Draufsicht schematisch ein weiteres Photovoltaikmodul mit einer weiteren erfindungsgemäßen Solarzelle 1.

Funktionale Strukturen mit vergleichbarer Funktion sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Diese funktionalen Strukturen können jedoch in ihrer Ausgestaltung Unter- schiede aufweisen.

Fig. 1 zeigt das Funktionsschema einer Solarzelle 1. Zusätzliche Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Gehäuse als Schutz vor Witterung, sind nicht dargestellt.

Die Solarzelle 1 ist in einen Verbund konventioneller Solarzellen 2 integriert, der in seiner Gesamtheit ein Photovoltaikmodul 3 bildet. über einen Rahmen 4 sind die einzelnen Solarzellen 1 ,2 unverlierbar zusammen gefasst.

Die Solarzelle 1 weist wie die konventionellen Solarzellen 2 einen p-n-übergang 5 auf, der für die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie vorgesehen ist. Auf einem Bereich 6 sind integrierte Schaltkreise 10,12,13 angeordnet. Dieser Bereich 6 dient nicht der Gewinnung elektrischer Energie. Bis auf diesen Bereich 6 ist die Oberfläche der Solarzelle 1 ebenso wie die gesamten Oberflächen der konventionellen So-

larzellen 2 mit einem Geflecht aus Kontaktierungsdrähten 7 zum Abgreifen der durch Sonneneinstrahlung erzeugten elektrischen Energie versehen.

Auf der Oberfläche des Bereichs 6 ist zunächst eine Versorgungseinheit 8 angeordnet, die die vom Bereich mit dem p-n-übergang 5 der Solarzelle 1 erzeugte elektrische E- nergie zwischenspeichert. Diese Versorgungseinheit 8 stellt über Versorgungsleitungen 9 elektrische Energie für integralen Schaltkreise zur Verfügung.

Der integrierte Schaltkreis zur Einstrahlungsleistungs- und Temperaturmessung 10 ist derart ausgebildet, die Einstrahlungsleistung zu messen, daraus die Temperatur der Umgebungsluft zu errechnen und die Messdaten über eine Datenleitung 11 an eine Verarbeitungseinheit 12 zu übergeben. Die Verarbeitungseinheit 12 bereitet die Daten auf und übergibt sie gemeinsam mit einem hinterlegten Code für eine Seriennummer des Photovoltaikmoduls 3 über eine weitere Datenleitung 11 an einen integrierten Schaltkreis zur Generierung eines ortbaren Signals 13. Dieser generiert in periodischen Abständen ein ortbares Signal 14, das von einem - nicht dargestellten - Empfänger empfangen wird.

Auf diese Weise kann am Ort des Empfängers die örtliche Position des Photovoltaik- moduls 3 jederzeit erfasst werden. Die Registrierung einer Veränderung der örtlichen Position ist mit einem unbefugten Entfernen des Photovoltaikmoduls gleichsetzbar und ermöglicht das Ergreifen von Gegenmaßnahmen. Durch die übermittlung der Seriennummer ist eine eindeutige Identifizierung des entwendeten Photovoltaikmoduls durchführbar. Im Normalbetrieb ist anhand der periodisch übermittelten Einstrahlungs- leistung jederzeit feststellbar, ob sich das Photovoltaikmodul in einem ordnungsgemäßen Betriebszustand befindet. Ein relatives Absinken der Einstrahlungsleistung zu den Werten für die Einstrahlungsleistung für benachbarte Photovoltaikmodule ist ein Indiz für eine Störung des Betriebszustandes, beispielsweise durch Verschmutzung. Die aus der Einstrahlungsleistung errechneten Werte für die Bestrahlungsstärke und die Luft- temperatur der Umgebung werden periodisch an eine meteorologische Einrichtung ü- bermittelt. Sie werden in ein meteorologisches Rechenmodell eingebunden und verbessern eine Wettervorhersage. Besonders in dünn besiedelten Gebieten wie Kanada, Zentralaustralien oder dem mittleren Westen der Vereinigten Staaten oder in

Gebieten mit einer schwachen Infrastruktur, wie in fast ganz Afrika kann somit die Wettervorhersage verbessert werden. Projekte zur Elektrifizierung von Gebieten mittels derartiger Photovoltaikmodule 3 tragen somit als Nebeneffekt und ohne zusätlichen Kostenaufwand zu einer Verbesserung der Wettervorhersage bei.

In Fig. 2 ist eine weitere Variante der Solarzelle 1 gemeinsam mit konventionellen Solarzellen 2 in einem Photovoltaikmodul 3 zusammen gefasst. Diese Solarzelle 1 ist hier streifenartig an einem Ende des Photovoltaikmoduls 3 angeordnet.

Die funktionalen Elemente auf der erfindungsgemäßen Solarzelle 1 können Aufbauten aufweisen, beispielsweise Abdeckungen oder Einhausungen der integrierten Schaltkreise. Damit baut die erfindungsgemäße Solarzelle 1 höher als die konventionellen Solarzellen 2. Bei der Abdeckung eines Photovoltaikmoduls 3 mit einem Glas wie Titandioxid kann mittels der Anordnung der Solarzelle 1 an einem Ende des Photovol- taikmoduls 3 auf diese Weise eine getrennte Abdeckung der der erfindungsgemäßen Solarzelle 1 und der konventionellen Solarzellen 2 vorgenommen werden.

Bei der Abdeckung des Photovoltaikmoduls 3 mit einer Folie können hingegen baulich bedingte Höhenunterschiede von bis zu 3 mm zwischen der erfindungsgemäßen Solar- zelle 1 und konventionellen Solarzellen 2 ausgeglichen werden. Eine streifenartige Anordnung der erfindungsgemäßen Solarzelle 2, wie in Figur 2, ist hier nur dann zweckmäßig, wenn ^' der Höhenunterschied zwischen erfindungsgemäßer Solarzelle 2 und konventionellen Solarzellen 3 über 3 mm liegt.

Bezugszeichenliste

Solarzelle Konventionelle Solarzelle Photovoltaikmodul Rahmen p-n-übergang Bereich mit funktionalen Strukturen Kontaktierungsdrähte Versorgungseinheit Versorgungsleitung Integrierter Schaltkreis zur Einstrahlungsleistungs- und Temperaturmessung Datenleitung Verarbeitungseinheit Integrierter Schaltkreis zur Generierung eines ortbaren Signals ortbares Signal