Titel

Solarzelle

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, mit einem flächigem Zellensubstrat, welches im Spektralbereich des sichtbaren Lichts und mindestens einem Teilbereich des infraroten Spektralbereichs transparent ist, und einem auf einer Oberfläche desselben angeordneten Zellenaufbau.

Stand der Technik

Die Photovoltaik ist eines der dynamischsten Gebiete der Energietechnik und gewinnt zunehmend wirtschaftliche Bedeutung. Die Entwicklung vielgestaltiger Konfigurationen von Solarzellen und deren technologische Verfeinerung haben in den letzten Jahren hierzu wesentlich beigetragen. Eine wesentliche Entwicklungslinie bezieht sich auf die Bereitstellung optimierter Träger- bzw. Substratstrukturen, die im Sinne einer hohen Energieausbeute vorteilhafte optische und thermische Eigenschaften haben und technisch leicht und kostengünstig zu realisieren sind.

Als Substrat zum Aufbau verschiedener Arten von Solarzellen wird in der Regel Glas mit einer transparenten leitfähigen Schicht, oft eine dotierte Oxidschicht (TCO), als Frontkontakt verwendet. Dieser Aufbau ist technologisch einfach und kostengünstig realisierbar und kann auf lange bewährte und leicht verfügbare Materialien zurückgreifen, und er ist weitgehend transparent im optischen sowie für weite Teile des infraroten (IR) Spektralbereichs. IR-Strahlung besitzt z. B. für kristallines Silizium ab etwa 1100 nm nicht genug Energie, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen und so zum Photostrom beizutragen. Deshalb trägt diese Art der Strahlung nicht positiv zum

Wirkungsgrad der Solarzelle bei, sondern führt zu zusätzlicher Erwärmung und damit Verschlechterung der Effizienz. Für Module aus kristallinen Si- Solarzellen beträgt die Wirkungsgradreduktion etwa 0,5 %/°C, im Falle von Dünnschichtzellen 0,2 - 0,3 %/°C. Ein bereits bekannter Ansatz ist es, die IR-Strahlung zu reflektieren, so dass sie nicht in die Solarzelle eindringt und auf diese Weise zu keiner zusätzlichen Erwärmung führen kann.

Eine diesem Ansatz folgende Konfiguration ist in der EP 0 632 507 A2 in verschiedenen Varianten beschrieben. Eine IR-reflektierende Anordnung aus mehreren Schutzschichten unterdrückt Reflexionen niederer Ordnung und reflektiert damit Spektralbanden, die jenseits der kurz- und langwelligen Grenzen des Wellenlängenbereiches liegen, den die Solarzelle für die opto- elektrische Wandlung nutzen kann. Die beschriebenen Aufbauten sind in ihren Parametern flexibel einstellbar, jedoch relativ aufwendig in der Realisierung .

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit vereinfachtem Aufbau und verringerten Herstellungskosten anzugeben, deren Aufbau gleichwohl eine ausreichende Abschirmung von nicht nutzbaren Teilen des einfallenden Sonnenlichts gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegen- stand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, in bewusstem Abgehen von der EP 0 632 507 A2 zugrunde liegenden Lösungsansatz einen möglichst einfachen Substrataufbau anzugeben, dessen Herstellung nur wenige Schritte erfordert. Sie schließt weiter den Gedanken ein, zu diesem Zweck verschiedene Funktionen, die der Substrataufbau in Bezug auf den eigentlichen Zellenaufbau realisieren muss, in sinnvoller Weise in möglichst wenigen auf dem Substrat vorgesehenen Schichten zu realisieren. Hieraus ergibt sich schließlich der wesentliche Gedanke, dass nur auf der den Zellenaufbau tragenden Oberfläche des Zellensubstrats eine bi- oder multifunktionale Schicht aufgebracht ist, die im Bereich des sichtbaren Lichts transparent ist und eine infrarot-reflektierende und eine Kontaktierungsfunktion hat. Der Vorteil der beschriebenen Erfindung liegt in der Kombination zweier Schichten, des leitfähigen Frontkontaktes und der IR-Reflexionsschicht, zu einer bi-funktionalen Schicht. Dieser Aufbau resultiert in einer verbesserten optischen Transmission der nutzbaren Solarstrahlung . Darüber hinaus vereinfacht der Aufbau die Herstellung und führt zu einer Kostenreduktion, da nur ein Beschichtungsprozess und ein Beschichtungsmaterial notwendig ist. Ein weiterer Vorteil liegt in einer guten thermischen Leitfähigkeit sowie der „Innenlage" der leitfähigen Reflexionsschicht. Dadurch kann die Solarzelle Wärme strahlungsfrei abführen, ansonsten würde die IR-Eigenstrahlung aufgrund der Zelltemperatur ebenfalls reflektiert und somit zu einer Aufhei- zung der Zelle führen würde. Dies wäre der Fall, wenn sich die IR-Reflexionsschicht auf der Außenseite, also in Gebrauchslage der Sonne zugewandten Seite, des Substrates befände. Durch die geringere Wärmeaufnahme aufgrund reflektierter IR Strahlung verbessert sich zunächst der Wirkungsgrad des Moduls. Zusätzlich werden Degradierungseffekte durch die im

Durchschnitt niedrigeren Temperatur minimiert, was wiederum zu einer verlängerten Lebensdauer des Moduls führt.

Eine im Sinne des oben genannten Ziels der Minimierung der Schichtanzahl vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die bi- oder multifunktionale Schicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Insbesondere hat sie einen

Flächenwiderstand von unter 15 Ω/D, um ohne funktionale Einschränkungen als (einzige) Vorderseiten-Kontaktierungsschicht der Solarzelle dienen zu können. In technologisch bewährter und kostengünstiger Weise wird als Substrat in einer weiteren Ausführung der Erfindung ein Glassubstrat eingesetzt. Konkrete Glas-Zusammensetzungen sind im Gebiet der Photovoltaik seit langem etabliert und bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung brauchbar. Im Hinblick auf die erfindungswesentliche bi- oder multifunktionale Beschichtung kann auf eine Einfärbung zur Ausfilterung von IR-Strahlungsanteilen mittels Absorption verzichtet, also durchaus„Klarglas" genutzt werden. Grundsätzlich kommen als Substratmaterial aber auch hochtemperaturbeständige transparente Kunststoffe, Quarzglas und andere bewährte transparente Trägerma- terialien in Betracht.

Dem vorab erwähnten Ziel wird in besonderer Weise Rechnung getragen, wenn die bi- oder multifunktionale Schicht als einziges infrarot-reflektieren- des Mittel und als einzige Vorderseiten-Kontaktierungsschicht der Solarzelle vorgesehen ist. Bis zu einem gewissen Grad wird dieses Ziel aber auch bereits erreicht, wenn die Schicht nur eine dieser beiden Funktionen exklusiv erfüllt, während zur vollständigen Erfüllung der jeweils verbleibenden Funktion noch eine zusätzliche Schicht vorgesehen ist. Im Sinne des oben erwähnten Vorteils einer verbesserten optischen Transmission bzw. geringen Absorption des in der Zelle nutzbaren Sonnenlichts hat die bi- oder multifunktionale Schicht im Spektralbereich des sichtbaren Lichts einen Absorptionskoeffizienten unterhalb eines vorgesehenen Schwellwertes, insbesondere unterhalb von 20 %. Je nach Leistungsanforderungen und phy- sikalischen Parametern der eigentlichen Solarzelle kann aber auch ein anderer Wert vorgegeben sein.

Im Sinne einer möglichst effizienten Abweisung der schädlichen IR-Strahlung ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die bi- oder multifunktionale Schicht in einem Teilbereich des infraroten Spektralbereichs einen Reflextionskoeffizienten oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes, insbesondere bei 1100 nm und mehr oberhalb von 50 %, hat. Auch gegenüber diesen Werten sind in Abhängigkeit von der konkreten Zellen- struktur und dem Gesamtaufbau Modifikationen möglich und gegebenenfalls sinnvoll .

Die komplexe Funktionalität der vorgeschlagenen Substratbeschichtung lässt sich in zweckmäßiger und zuverlässiger Weise erreichen, wenn die bi- oder multifunktionale Schicht Metallpartikel, insbesondere Silberpartikel mit einer mittleren Korngröße im Nano- oder Mikrometerbereich, insbesondere von 100 nm oder weniger, aufweist. Neben Silber sind auch andere Metalle geeignet, so etwa - in Abhängigkeit von übrigen Eigenschaften des Modulaufbaus - Gold oder Kupfer oder Legierungen der genannten Metalle. Von der genannten bevorzugten Korngrößen-Obergrenze kann ebenfalls abgewichen werden, und es kann auch vorteilhaft sein, das Einlagerungsmaterial mit einer vorbestimmten Korngrößenverteilung einzusetzen. Die einzige Figur zeigt schematisch in Art einer Querschnittsdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1, mit einem Glassubstrat 1, einer bifunktionalen (elektrisch leitfähigen und IR-reflektierenden) Schicht 3 und einem Solarzellenaubau 5, im Gebrauchszustand in dieser Reihenfolge einer mit dem Pfeil A symbolisierten Sonnenstrahlung ausgesetzt. Die bifunk- tionale Schicht 3, z. B. bestehend aus Ag-Nanopartikeln, befindet sich im thermischen Kontakt zum Glas sowie zur eigentlichen Solarzelle und besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Der einfallende IR-TeM der Solarstrahlung wird von der Reflexionsschicht zurückgeworfen und trägt auf diese Weise nicht zur Erwärmung der Solarzelle bei. Zusätzlich übernimmt die Schicht die Funktion des Frontkontaktes, wobei keine zusätzliche TCO- oder vergleichbare Schicht notwendig wird, welche die optische Transmission verringern und somit die Effizienz der Solarzelle verschlechtern würde. Aufgrund der guten Leitfähigkeit wird die Wärme der Solarzellen durch die Reflexionsschicht in das Substrat weitergeleitet, welches entsprechend seiner Emissivität und Temperatur Energie abstrahlt.