Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaikvorrichtung umfassend einen metallischen Träger und eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine erste Kontaktschicht, eine erste Halbleiterschicht aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht aus CdS, eine lichtdurchlässige zweite Kontaktschicht und eine lichtdurchlässige und elektrisch isolierende Deckschicht.

Im Bereich der alternativen Energiegewinnung, insbesondere der direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht, bietet die Photovoltaik eine umweltfreundliche Technologie zur Energiegewinnung aus einer quasi unerschöpflichen Quelle an. In einer Photovoltaik- oder Solarzelle erzeugen die Lichtquanten der Sonneneinstrahlung in einer elektrochemischen Zelle aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien einen elektrischen Gleichstrom. Mehrere modular zusammengefasste Photovoltaikzellen ergeben eine Photovoltaikvorrichtung oder umgangssprachlich ein Solarmodul. Eine Solarstromanlage kann bis zu mehreren hundert Solarmodule umfassen. Als Technologien unterscheidet man zwischen kristallinen und Dünnschichtzellen. In kristallinen Solarzellen bestehen die Halbleiterelemente aus zersägten einige hundert Mikrometer dicken Siliziumscheiben, die mittels aufgelöteter oder verklebter Metallbänder miteinander elektrisch verbunden werden um zu einer ausreichenden elektrischen Spannung pro Solarmodul zu kommen.

In Dünnschichtzellen werden die Halbleiterelemente in mehrstufigen Beschichtungsverfahren hergestellt, sodass die Summe aller Schichtdicken nur wenige Mikrometer beträgt. Dünnschichtzellen erreichen zwar in der Praxis einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Zellen, aber die Herstellkosten sind wegen des geringeren Materialverbrauchs und der Möglichkeit einer grossflächigen Beschichtung wesentlich günstiger.

Aus der US 5,578,502 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung bekannt. Die Photovoltaikvorrichtung wird auf einem Substrat aus Glas ausgebildet und umfasst mindestens vier Schichten. Auf dem Glassubstrat werden mittels eines Beschichtungsverfahrens nacheinander zwei Zinnoxidschichten, eine verhältnismässig dünne CdS-Schicht, eine verhältnismässig dicke CdTe-Schicht und mindestens eine Graphitschicht angebracht. Die Unterseite muss zusätzlich zu den hier beschriebenen Schichten durch weitere Beschichtung gegen Feuchtigkeit und Umwelteinwirkungen geschützt werden.

Der Aufbau einer Photovoltaikvorrichtung mit dieser Schichtreihenfolge wird Superstratkonfiguration genannt, da die Beleuchtung der photoaktiven Schichten mit Sonnenlicht durch das Substrat, in diesem Fall die Glassschicht, hindurch erfolgt. Durch die Verwendung von Glasplatten wird die Photovoltaikeinrichtung relativ schwer, sodass eine Installation auf Untergründen mit begrenzter Tragkraft, wie zum Beispiel Hallendächer, oft unmöglich ist. Die benötigten Glassubstrate weisen zur Einstellung einer ausreichenden mechanischen Stabilität oft eine Dicke von mehreren Millimetern auf, sodass sie sehr starr sind und nicht flexibel und somit nicht kontinuierlich verarbeitet werden können. Produktionsanlagen zur Herstellung solcher Photovoltaikanlagen benötigen viel Raum für die Zwischenlagerung und den Transport der einzelnen Glassubstrate.

Des Weiteren ist die Verarbeitung aufgrund der fragilen Natur von Glas oft mit einem erheblichen Materialverlust durch Bruch verbunden. Glasbruch kann ebenfalls einen grossen Einfiuss auf die Standzeit von Produktionsmaschinen haben, da Glasscherben einzelne Anlagen blockieren oder kontaminieren können und daher entfernt werden müssen. Materialverlust und verringerte Standzeit der Anlagen erhöhen jedoch stark die Produktionskosten einer solchen Photovoltaikvorrichtung. Aufgrund des hohen Gewichts und der starren Konstruktion werden für die Installation von Photovoltaikvorrichtungen mit einem Glassubstrat zudem ein aufwändiger Unterbau und eine robuste Haltevorrichtung benötigt. Des Weiteren bringt die Verwendung von CdTe in der photoaktiven Schicht Vorteile gegenüber anderen halbleitenden Materialien, insbesondere ternären oder quaternären Systemen, basierend auf den Elementen Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und/oder Selen, mit sich. CdTe weist als intermetallische Phase eine einfache stoichiometrische Zusammensetzung mit vernachlässigbarer Löslichkeit auf, so dass die Zusammensetzung nicht oder nur schwer verändert werden kann. Aus diesem Grund kann CdTe mit verschiedensten Methoden abgeschieden werden ohne die chemische und physikalische Natur zu verändern. Dieses robuste Verhalten erlaubt einen vergleichsweise grossen Spielraum der Prozessparameter bei der Abscheidung und ist aufgrund des niedrigeren Regel- und Eingriffsbedarfs und geringerer Ausschusswahrscheinlichkeit prinzipiell kostengünstiger als ternäre und quaternäre Schichtsysteme, wie beispielsweise CIS oder CIGS. Eine besonders kostengünstige Möglichkeit der Abscheidung stellt das Druckverfahren dar, da die halbleitenden Verbindungen zur Herstellung der photoaktiven Schichten nicht in die Gasphase überführt werden müssen, sondern direkt im festen Zustand, dispergiert in einem rückstandslos verdampfbaren Lösemittel, auf ein Substrat aufgebracht werden können. In dieser Prozessführung kann es nicht zu Materialverlusten durch parasitäre Abscheidung auf den Kammerwänden der Verdampfungsanlagen oder durch Absaugung der Gasphase im Abgas kommen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Photovoltaikvorrichtung anzugeben, die möglichst kostengünstig hergestellt werden kann und eine möglichst hohe mechanische Flexibilität aufweist. Das Solarmodul soll ein möglichst geringes Eigengewicht aufweisen und einfach zu montieren sein. Die Installationskosten sollen möglichst gering sein und die Statik des Installationsortes, beispielsweise eines Haus- oder Hallendaches, darf nicht gefährdet werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Photovoltaikvorrichtung umfassend eine metallische Trägerschicht und eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine erste Kontaktschicht, eine erste Halbleiterschicht aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht aus CdS, eine lichtdurchlässige zweite Kontaktschicht, eine lichtdurchlässige und elektrisch isolierende Deckschicht, wobei die metallische Trägerschicht und sämtliche weiteren Schichten als flexible dünne Schichten und/oder Folien ausgebildet sind und wobei die weiteren Schichten in einem mehrstufigen Bedruckungs- oder Beschichtungsverfahren nacheinander auf der flexiblen metallischen Trägerschicht angeordnet sind.

Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es ist von Vorteil, dass die Photovoltaikvorrichtung möglichst kostengünstig hergestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht dass insbesondere die erste Halbleiterschicht aus CdTe durch ein Druckverfahren ausgebildet ist.

Es ist auch von Vorteil, dass die Photovoltaikvorrichtung als Monolith, das heisst als komplettes Einzelteil mit einer möglichst hohen Leistung pro Solarmodul hergestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass innerhalb der Photovoltaikvorrichtung eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Photovoltaikzellen auf einer einzelnen flexiblen metallischen Trägerschicht ausgebildet ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Vielzahl von Photovoltaikzellen in einer Serienschaltung auf einer einzelnen flexiblen metallischen Trägerschicht ausgebildet ist. Dies wird weiter auch dadurch erreicht, dass zwischen den in Serie geschalteten und parallel zueinander angeordneten Photovoltaikzellen innerhalb der ersten Kontaktschicht, der ersten gedruckten Halbleiterschicht aus CdTe, der zweiten Halbleiterschicht aus CdS und der lichtdurchlässigen zweiten Kontaktschicht jeweils versetzt angeordnete und zueinander parallel verlaufende Zwischenräume ausgebildet sind. Es ist weiter auch von Vorteil, dass die einzelnen Zellen der Photovoltaikvorrichtung möglichst ohne Platzverlust nebeneinander angeordnet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vielzahl von Photovoltaikzellen auf der flexiblen metallischen Trägerfolie mit der ersten elektrisch isolierenden Schicht jeweils durch Zwischenräume voneinander getrennt und parallel angeordnet ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Zwischenräume mittels Laserschneiden ausgebildet werden.

Es ist auch von Vorteil, dass die Photovoltaikvorrichtung möglichst wasserdicht hergestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass oberhalb der elektrisch isolierenden Deckschicht modulübergreifend eine UV- lichtdurchlässige und wasserundurchlässige Sperrschicht angeordnet ist, die entweder flexibel oder starr ausgeführt werden kann. Dies wird auch dadurch erreicht, dass zwischen der ersten elektrisch isolierenden Schicht und der wasserundurchlässigen Sperrschicht ein Dichtrand zur seitlichen Abdichtung der Photovoltaikzellen ausgebildet ist.

Es ist auch von Vorteil, dass an dem Aufstellort die Photovoltaikvorrichtung möglichst einfach an die elektrischen Versorgungsleitungen angeschlossen werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass benachbart und parallel zur ersten und zur letzten Photovoltaikzelle jeweils ein Kontaktband angeordnet ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Kontaktbänder über eine Sammelschiene mit einer in der Photovoltaikvorrichtung integrierten Verbindungsdose verbindbar ausgebildet sind. Dies wird weiter auch dadurch erreicht, dass die Verbindungsdosen mittels Verbindungsleitungen und elektrischen Verbindungssteckern mit weiteren Photovoltaikvorrichtungen verbindbar ausgebildet sind.

Es ist zudem auch von Vorteil, dass die Rückseite des Moduls komplett eben verbleibt, sodass das Modul einfach auf einem flachen Untergrund, wie etwa einem Hallendach, installiert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbindungsdose auf der der Sonne zugewandten Seite angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch eine Photovoltaikvorrichtung mit einer Vielzahl von Photovoltaikzellen,

Figur 2 eine Sicht auf eine Photovoltaikvorrichtung und Figur 3 eine schematische Sicht auf eine Anlage zur Herstellung der Photovoltaikvorrichtung.

In Figur 1 ist schematisch eine PV(= Photovoltaik)-vorrichtung 2 geschnitten parallel zur Richtung des auffallenden Sonnenlichtes dargestellt. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 weist die PV-vorrichtung 2 mindestens drei PV-zellen 1 , 1 ^* . 1" auf. Die PV-zellen 1 , 1', 1 " sind durch Zwischenräume 19, 19' voneinander getrennt angeordnet. Die Zwischenräume 19, 19' bewirken eine räumliche Trennung der einzelnen PV-zellen 1 , 1', 1" und sind notwendig für die Serienschaltung der PV-zellen 1 , 1', 1".

Jede einzelne PV-zelle 1 , 1', 1" besteht aus mindestens vier unterschiedlichen Schichten. Wie in Figur 1 dargestellt, ist die PV-zelle von unten nach oben, das heisst von der dem Sonnenlicht abgewandten und der der Trägerfolie 14 zugewandten Seite bis zu der dem Sonnenlicht zugewandten Seite, aufgebaut aus nacheinander folgenden vier Schichten: eine erste Kontaktschicht 10, eine erste Halbleiterschicht 11 aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht 12 aus CdS und eine lichtdurchlässige zweite Kontaktschicht 13.

Die PV-zellen 1 , 1', 1" sind ausgebildet auf einer metallischen Trägerschicht 14, beispielsweise einer Metallfolie 14 aus einer Aluminiumlegierung oder Stahl, mit einer Dicke von 10 bis 200 μηι. Eine Metallfolie als Trägerschicht bietet gegenüber Glas die Vorteile einer höheren mechanischen Flexibilität und eines leichteren Gewichts. Die Metallfolie 14 ist vollflächig mit einer ersten elektrisch isolierenden Schicht 15 beschichtet, die den elektrischen Kontakt der PV-zellen 1 , 1 ', 1 " mit der metallischen Trägerfolie 14 verhindert. Die elektrisch isolierende Schicht 15 weist eine Dicke auf, die ausreicht um einen elektrischen Überschlag von der ersten Kontaktschicht 10 zur metallischen Trägerfolie 14 zu verhindern. Die elektrisch isolierende Schicht 15 ist, je nach dem verwendeten Material, etwa 5 bis 30 pm dick.

Die unten liegende erste Kontaktschicht 10 und die lichtdurchlässige oben liegende zweite Kontaktschicht 13 weisen jeweils eine Dicke von etwa 0,3 bis 1 ,2 pm auf.

Die erste Halbleiterschicht 1 1 aus CdTe weist eine Dicke auf, die eine bis zwei Grössenordnungen grösser als die Dicke der zweiten Halbleiterschicht 12 aus CdS ist. Die zweite Halbleiterschicht 12 aus CdS, die die dem Sonnenlicht zugewandte Schicht der PV-zelle bildet, weist eine Dicke von deutlich weniger als 0,4 pm auf. Je dünner die oben liegende zweite Halbleiterschicht 12 ist, desto kürzer ist für das Sonnenlicht der Weg zur Phasengrenze zwischen der ersten Halbleiterschicht 11 und der zweiten Halbleiterschicht 12. Die Halbleiterschichten 11 , 12 weisen zusammengerechnet eine Dicke von weniger als 10 m auf.

Auf der Oberseite, das heisst auf der dem Sonnenlicht zugewandten Seite, sind die PV-zellen 1 , 1 ', 1 " abgedeckt mit einer lichtdurchlässigen und elektrisch isolierenden Deckschicht 17 und einer UV-lichtdurchlässigen und wasserundurchlässigen flexiblen Sperrschicht 18. Die Deckschicht 17 und die Sperrschicht 8 weisen zusammengerechnet eine Dicke von etwa 100 bis 500 μιη auf. Für die Deckschicht 17 werden lichtdurchlässige und wasserundurchlässige Kunststofffolien oder polymerisierbare Beschichtungen, beispielsweise Fluorpolymere, verwendet. Die Deckschicht 17 kann auch aus einer dünnen Glasschicht hergestellt werden. Die UV-lichtdurchlässige und wasserundurchlässige flexible Sperrschicht 18 besteht aus thermoplastischen Polyolefinen, beispielsweise Polypropylen.

Die acht in Figur 1 dargestellten flexiblen Schichten 14, 15, 10, 11 , 12, 13, 17, 18 bilden einen Schichtverbund mit einer Stärke von insgesamt etwa 150 bis 650 μιη. Dieser Schichtverbund weist in beiden Richtungen einen Biegeradius von 100 bis 1000 mm auf. Durch diese hohe mechanische Flexibilität wird erreicht, dass der Schichtverbund für die PV-vorrichtung 2 in einer Rolle zu Rolle Beschichtungsanlage hergestellt werden kann und dass der Schichtverbund als Rollenmaterial aufgewickelt und transportiert werden kann.

Zwischen der ersten elektrisch isolierenden Schicht 15 und der wasserundurchlässigen Sperrschicht 18 ist ein Dichtrand 16 zur seitlichen Abdichtung der PV-zellen 1 , 1', 1" ausgebildet. Hiermit wird erreicht, dass die PV-zellen 1 , 1', 1" vor eindringendem Wasser und Feuchtigkeit geschützt sind und so eine möglichst lange Lebensdauer gewährleistet werden kann.

In Figur 1 ist auch ersichtlich, wie die verschiedenen Schichten 10, 11, 12, 13 jeweils eine unterschiedliche Flächenausdehnung aufweisen. Jede dieser Schichten 10, 11 , 12, 13 wird in einem Beschichtungsverfahren zuerst vollflächig aufgetragen, dann wärmebehandelt und anschliessend in die in Figur 1 dargestellte Struktur mit den Zwischenräumen 19, 19' gebracht. Die Zwischenräume 19, 19' werden durch Laserschneid- oder andere Schneid verfahren hergestellt. Die Zwischenräume 19, 19', die als parallel verlaufende Gruben ausgebildet sind, dienen dazu, die Gesamtfläche der PV- vorrichtung 2 zu einer Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten PV- zellen 1 , 1', 1" zu strukturieren.

Die Zwischenräume 19, 19', die in den verschiedenen Schichten versetzt angeordnet sind, dienen auch dazu, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Kontaktschicht 10 einer PV-zelle 1 mit der zweiten Kontaktschicht 3 der unmittelbar angrenzenden PV-zelle 1', 1" herzustellen. Hiermit wird erreicht, dass innerhalb der Photovoltaikvorrichtung 2 eine Vielzahl von PV-zellen 1 , 1', 1" mit einander kombiniert und in Serie geschaltet werden kann. Durch diese Serienschaltung der einzelnen PV-zellen 1 , 1', 1" entsteht eine so genannt monolithisch verschaltete PV-vorrichtung 2, wobei auf einer einzelnen ganzflächigen flexiblen metallischen Trägerschicht 14 eine Vielzahl von PV- zellen 1 , 1', 1" ausgebildet ist und wobei die PV-vorrichtung 2 als einzelnes Bauteil verwendet werden kann.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Photovoltaikvorrichtung 2 dargestellt. Figur 2 zeigt eine PV-vorrichtung 2, wobei eine Vielzahl einzelner PV-zellen 1 parallel zur schmalen Seite der PV-vorrichtung 2 angeordnet ist.

In Figur 2 ist ersichtlich, wie parallel zur ersten und zur letzten PV-zelle 1 jeweils zwei Kontaktbänder 21 angeordnet sind. Die Kontaktbänder 21 stehen in Kontakt mit den in Serie geschalteten PV-zellen 1 der PV-vorrichtung 2 und werden mittels einer Sammelschiene 22 zusammengeführt in einer Verbindungsdose 23 für jede PV-vorrichtung 2. Die Kontaktbänder 21 , die Sammelschienen 22 und insbesondere die Verbindungsdose 23 sind auf der der Sonne zugewandten Seite der PV-vorrichtung 2 angebracht. Hiermit wird erreicht, dass das Modul eine komplett ebene Rückseite aufweist und auf einem flachen Untergrund, wie etwa einem Hallendach installiert werden kann. Die Verbindungsdosen 23, die in jeder PV-vorrichtung 2 integriert sind, leiten den elektrischen Strom einer PV-vorrichtung 2 über Verbindungsleitungen 24 und Verbindungsstecker 25 an weitere benachbart angeordnete PV-vorrichtungen 2, an den Energieverbraucher oder an das Energienetzwerk weiter.

Die Photovoltaikvorrichtung 2 wird in einem mehrstufigen Beschichtungsverfahren, beispielsweise in einem Siebdruckverfahren hergestellt. Jede einzelne Schicht wird wie die Farbschichten in einer Mehrfarbensiebdruckanlage aufgetragen und beispielsweise in einem Tunnelofen getrocknet. Das Beschichtungsmaterial hat eine ähnliche Konsistenz wie eine Druck- oder Farbpaste. Nach jedem Schichtauftrag wird die Photovoltaikvorrichtung getrocknet. Bevor eine nächste Schicht aufgetragen wird, werden die Zwischenräume 19 zwischen den einzelnen PV-zellen 1 durch Laserschneiden oder ein anderes Schneidverfahren ausgebildet. In Figur 3 ist schematisch eine Anlage 3 zur Herstellung der PV-vorrichtung 2 dargestellt. Die metallische Trägerfolie 14, beispielsweise eine Aluminium- oder Stahlfolie mit einer Dicke von 10 bis 100 m durchläuft von einer Abwickelstation 32 zu einer Aufwickelstation 33 mehrere Bearbeitungsstationen 31. In den Bearbeitungsstationen 31 wird nacheinander die Folie beschichtet oder bedruckt, getrocknet und jeweils zur Bildung der Zwischenräume 19, 9' zwischen den einzelnen PV-zellen 1, 1', 1" durch Laserschneiden oder durch ein anderes Schneidverfahren strukturiert. Die flexiblen Schichten 15, 10, 11, 12, 13, 7 werden nacheinander in einer quasi kontinuierlich arbeitenden Rolle- zu-Rolle-Beschichtungsanlage 3 auf die metallische Trägerfolie 14 aufgebracht.

Anschliessend an den jeweiligen Beschichtungsvorgang werden die flexiblen Schichten 15, 10, 11, 12, 13, 17 einer Wärmebehandlung, beispielsweise in einem Tunnelofen unterworfen. Weitere Bearbeitungen wie beispielsweise eine Reinigung oder eine Vorbehandlung der Folie sind möglich. Es ist auch denkbar, dass mehrere Anlagen 3 gemäss Figur 3 vorgesehen sind. So kann beispielsweise eine erste Anlage 3 in einer reduzierenden oder sauerstoffarmen Umgebung arbeiten, während die nächste Anlage 3 in einer oxidierenden Umgebung arbeitet. Auch kann in verschiedenen Anlagen 3 ein unterschiedlicher Umgebungsdruck oder ein unterschiedliches Vakuum für die Beschichtung oder die Wärmebehandlung eingestellt werden.

Die hier vorgeschlagene PV-vorrichtung 2 ist wesentlich dünner, leichter und flexibler als eine Vorrichtung, die auf Glas aufgebaut ist. Eine PV-vorrichtung 2, die aus PV-zellen 1 mit den Halbleitermaterialien CdTe und CdS besteht, ist einfacher, kontrollierter und kostengünstiger herzustellen als eine Vorrichtung, deren photoaktive Schichten sich aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium, Selen und/oder Schwefel zusammensetzen. Die chemische Zusammensetzung dieser oft ternären oder quaternären Schichtsysteme ist schwer zu kontrollieren und fordert eine genaue und kostenintensive Prozessführung. Die binären Schichtsysteme CdS und CdTe sind hingegen sehr robust. Ihre Zusammensetzung kann nicht oder nur sehr schwer verändert werden, sodass die Prozessführung genügsamer ist und weit weniger komplex ausfällt und von diesem Gesichtspunkt her den ternären und quaternären Systemen deutlich überlegen ist.

Die PV-vorrichtung 2 ist kostengünstig, weil die Beschichtung als Druckverfahren ausgeführt wird. Es werden jeweils möglichst dünne Schichten aufgetragen und es geht kein Beschichtungsmaterial verloren. In einem Beschichtungsverfahren aus der Gasphase, wird ein Grossteil des verdampften Materials nicht auf dem Substrat abgeschieden, sondern an den Kammerwänden der Verdampfungsanlage kondensiert oder im Abgas abgesaugt. Bei der Herstellung von Siliziumzellen geht ein Teil des Materials durch Zersägen verloren. Die Abscheidung ist einfach, weil kein hohes Vakuum oder hohe Temperaturen angewendet werden müssen.

Weiter verhält sich die Vorrichtung besser bei schwachem Licht als andere Systeme. Das System CdTe/CdS hat ausserdem einen günstigeren Temperaturkoeffizient, das heisst, der Wirkungsgrad der Solarzelle fällt weniger stark ab, wenn die Temperatur steigt. Die PV-vorrichtung 2 kann in einer Anlage ähnlich einer Mehrfarbensiebdruckmaschine hergestellt werden. Die PV- vorrichtung 2 zeichnet sich aus durch hohe Flexibilität, ein geringes Gewicht und niedrige Herstellkosten. Durch das geringe Gewicht der PV-vorrichtung 2 werden bei der Installation keine hohen Anforderungen an die Gebäudestatik des Aufstellungsortes gestellt.