DE102012201284A1

DE102012201284A1 - Photovoltaische Solarzelle und Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle

Info

Publication number: DE102012201284A1
Application number: DE102012201284A
Authority: DE
Inventors: Dr. Martin Vehse; Martin Theuring
Original assignee: EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie eV
Current assignee: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: DE102012201284B4; WO2013113638A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle, welche ein Substrat aufweist, auf welchem zumindest eine Rückelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Frontelektrodenschicht angeordnet sind, welche Rückelektrodenschicht zwischen Halbleiterschicht und Substrat oder auf der der Hableiterschicht gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet ist, wobei die Frontelektrodenschicht eine Schichtstruktur aufweist, welche zumindest eine Metallschicht und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle, welche ein Substrat, auf welchem zumindest eine Rückelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Frontelektrodenschicht angeordnet sind, umfasst, wobei das Aufbringen der Frontelektrodenschicht, welche aus einer Schichtstruktur besteht, welche zumindest eine Metallschicht und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht umfasst, auf die Halbleiterschicht bei einer Prozesstemperatur unterhalb von 200°C durchgeführt wird

Description

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Im Stand der Technik sind verschiedene Typen von photovoltaischen Solarzellen bzw. Solarzellen, wie beispielsweise Dünnschichtsolarzellen oder sogenannte HIT-Solarzellen (Heterojunction With Intrinsic Thin Layer), bekannt, in denen kurzwellige Strahlungsenergie aufgrund des photovoltaischen Effekts in elektrische Energie umgewandelt wird.
HIT-Solarzellen, wie sie beispielsweise in Sawada T. et al.: „High-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell", Proc. of the 1st World Conference an Photovoltaic Energy Conversion Hawaii, USA, 1994 beschrieben sind, sind aus einem dünnen monokristallinen Silizium-Wafer, welcher mit ultradünnen Lagen amorphen Siliziums beschichtet ist, aufgebaut.
Bei Dünnschichtsolarzellen wird dagegen überwiegend amorphes Silizium, insbesondere hydrogenisiertes amorphes Silizium (a-Si:H) eingesetzt, welches in Substrat- oder Superstrate-Konfiguration auf einem Substrat vorgesehen wird. Bei Dünnschichtsolarzellen in der sogenannten Substrat-Konfiguration handelt es sich um Solarzellen, bei denen das Sonnenlicht durch einen semi-transparenten Kontakt auf der vom Substrat abgewandten Seite in das Absorbermaterial gelangt. Dabei ist es bei der Substrat-Konfiguration nicht notwendig, dass das Substratmaterial oder die sich in direktem Kontakt zum Substrat angebrachte Elektrode transparent sind.
Um diese Zellkonfiguration technisch umzusetzen, muss der Kontakt auf die bereits existierende Dünnschichtsolarzelle aufgebracht werden.
Weiterhin sollte der Kontakt einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Solarzelle ermöglichen und daher gleichzeitig eine ausreichende Transparenz (> 80%) und eine gute Querleitfähigkeit (< 20 Ohm) aufweisen. Die üblicherweise in der Solarzellenherstellung verwendeten dünnen Kontaktschichten aus aluminiumdotierten Zinkoxid (AZO) werden dabei üblicherweise mittels aus dem Stand der Technik bekannter Sputter-Prozesse hergestellt.
Problematisch ist dabei jedoch, dass zur Gewährleistung der oben genannten Anforderungen an die Querleitfähigkeit und Transparenz der Kontaktschicht Prozesstemperaturen verwendet werden müssen, die oberhalb der Zerstörschwelle der eigentlichen Dünnschichtsolarzellen liegen.
Daher ist ein im Stand der Technik bekannter Lösungsansatz, ein temporäres temperaturstabiles Trägermaterial zu verwenden und dann die fertige Solarzelle auf ein neues Substrat zu übertragen. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst aufwendig und kostspielig.
Eine weitere bekannte Lösung ist es, als Material für die transparenten Elektroden Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu verwenden, was von allen TCOs (Transparent Conductive Oxide) die höchste Transparenz und gleichzeitig die beste Querleitfähigkeit aufweist. Daher können Schichten auch unter nicht ganz optimalen Prozesstemperaturen mit guten Schichteigenschaften abgeschieden werden. ITO ist aber auch von allen einsetzbaren TCOs aufgrund seines hohen Indium-Gehalts eine sehr kostspielige Lösung, da sich der Preis von Indium aufgrund der hohen Nachfrage aus der Display-Industrie in den letzten Jahren vervielfacht hat. Auch in der Zukunft ist hier keine deutliche Senkung des Indium-Preises zu erwarten, da es in der Display-Technik bislang keine kostengünstigen Alternativen zum ITO gibt und die Wertschöpfung der Produkte die hohen Materialkosten auffangen kann.
Schließlich wird im Stand der Technik ein Niedrigdruck-CVD-Verfahren (LPCVD) in der Silizium-basierten Dünnschichtsolarzellenproduktion zur Herstellung der Front- und Rückkontakte angewandt. Hierbei wird die Abscheidung jedoch nur auf den dickeren n-dotierten Schichten vorgenommen, die in der oben erwähnten Superstrate-Konfiguration die letzte Schicht vor der TCO-Elektrode sind. In der Substrat-Konfiguration bilden aber die viel zu dünnen p-dotierten Schichten jedoch den Abschluss der Solarzelle vor dem TCO-Kontakt. Die Anwendung eines LPCVD-Prozesses auf die dünneren p-dotierten Schichten kann eine Schädigung der Dotierung in der gesamten p-Schicht und damit eine Schädigung der gesamten Solarzelle zur Folge haben. Außerdem sind die Transmissionseigenschaften der mittels des LPCVD-Prozesses hergestellten Aluminium-Zink-Oxid-(AZO)-Schicht schlechter.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine photovoltaische Solarzelle bereitzustellen, welche sowohl kostengünstig herstellbar ist als auch einen semitransparenten Kontakt mit hohen Transmissionseigenschaften und einer ausreichenden Querleitfähigkeit aufweist. Ebenso ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer derartigen photovoltaischen Solarzelle bereitzustellen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 17. Vorzugsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 2 bis 16. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung eingezogen.
Die erfindungsgemäße Solarzelle ist vorzugsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird eine photovoltaische Solarzelle bereitgestellt, welche ein Substrat aufweist, auf welchem zumindest eine Rückelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Frontelektrodenschicht angeordnet sind, welche Rückelektrodenschicht zwischen Halbleiterschicht und Substrat oder auf der der Hableiterschicht gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet ist, wobei die Frontelektrodenschicht eine Schichtstruktur aufweist, welche zumindest eine Metallschicht und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht umfasst.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung schließen Formulierungen hinsichtlich der Anordnung von Schichten stets mit ein, dass in vorzugsweisen Ausführungsformen zwischen den genannten Schichten auch eine oder weitere zusätzliche Zwischenschichten angeordnet sein können.
Durch die Ausbildung der Frontelektrodenschicht als Schichtstruktur, welche Schichtstruktur zumindest eine Metallschicht und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht umfasst, wird ein semitransparenter Kontakt mit ausreichender Querleitfähigkeit realisiert. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Solarzelle ausgehend von dem Substrat durch Aufbringen der weiteren Schichten hergestellt werden, wobei insbesondere kein Nachträgliches ablösen etwaiger temporärer Substratschichten während des Herstellungsprozesses wie bei vorbekannten Verfahren notwendig ist. Hierdurch wird eine kostengünstige Solarzelle realisiert.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist die photovoltaische Solarzelle als Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration ausgebildet, wobei die Rückelektrodenschicht zwischen Substrat und Halbleiterschicht angeordnet ist. Hierdurch wird somit eine kostengünstige Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration mit teiltransparentem Vorderseitenkontakt realisiert.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die photovoltaische Solarzelle als HIT-Solarzelle ausgebildet ist, wobei das Substrat als Halbleiter, vorzugsweise als kristalliner Siliziumwafer, ausgebildet ist und Rückelektrodenschicht und Halbleiterschicht auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wird somit eine kostengünstige HIT-Solarzelle realisiert, wobei das Substrat in diesem Fall als Halbleiter – wie bei HIT-Solarzellen üblich – nicht nur eine mechanisch stabilisierende Trägerfunktion erfüllt sondern darüber hinaus elektronischer Bestandteil der Solarzelle ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Halbleiterschicht als eine Schicht auszubilden. Ebenso liegt die Ausbildung der Halbleiterschicht als Schichtstruktur bestehend aus mehreren, vorzugsweise übereinander angeordneten, Teilschichten im Rahmen der Erfindung, insbesondere mit unterschiedlich dotierten Teilschichten zur Ausbildung eines pn-Übergangs an den Schichtgrenzen. Insbesondere liegt die Ausbildung der Halbleiterschicht als sogenannte pin-Schichtstruktur, zu Ausbildung eines pin-Übergangs im Rahmen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die photovoltaische Solarzelle als Dünnschichtsolarzelle in Substratkonfiguration oder als HIT-Solarzelle ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Deckschicht amen Brechungsindex größer als 1 auf.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Deckschicht eine Dicke auf, welche in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm.
Vorzugsweise ist die Metallschicht semitransparent und weist eine Dicke auf, welche in einem Bereich zwischen 3 nm und 50 nm liegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Metallschicht eines oder mehrere von Ag, Cu, Au, Al, W, Mo, Zn oder Ni, Erdalkalimetalle, insbesondere Ca, Ba, Mg, oder deren Legierungen, insbesondere MoAg- oder MgAg-Legierungen.
Vorzugsweise umfasst die Deckschicht dotierte oder undotierte Oxide, insbesondere SiO, ZnO, AlO, InO, SnO oder deren Legierungen, insbesondere Aluminium-Zink-Oxid (AZO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO).
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Deckschicht Verbindungshalbleiter mit hoher Bandlücke, insbesondere ZnS, CdSe, GaN, InGaN, oder InGaN, Polymere, insbesondere 3,4-Polyethylendioxythiophen (PEDOT), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetherimid (PEI), Polyethylennaphthalat (PEN) oder Polyethylenterephthalat (PET), oder organische Materialien, insbesondere Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) (Alq3) oder 1-Brompropan (NPB) umfasst.
Besonders bevorzugt weist die Deckschicht eine hohe Transparenz in einem Spektralbereich zwischen 400 nm und 1100 nm, insbesondere zwischen 400 nm und 800 nm, auf. Die Transmission liegt vorzugsweise im gesamten Spektralbereich zwischen 400 nm und 800 nm oberhalb von 70%.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Deckschicht elektrisch leitend ist. Vorzugsweise sind Deckschicht und Metallschicht derart zusammewirkend ausgebildet, dass der elektrische Querleitungswiderstand dieses Schichtsystems wesentlich durch die Metallschicht bestimmt wird und insbesondere die Ausbildung eines Flächenwiderstandes durch die Deckschicht vermieden wird.
Wenn die Deckschicht jedoch nicht elektrisch leitend ist und somit einen Flächenwiderstand ausbildet, ist es von Vorteil, wenn die Deckschicht die Metallschicht nur teilweise abdeckt. Hierdurch kenn die Metallschicht an den von der Deckschicht unbedeckten Bereichen ohne zusätzlichen elektrischen Widerstand kontaktiert werden.
Vorzugsweise umfasst der Schichtstapel eine transparente Zwischenschicht, welche aus einem transparenten Oxid, insbesondere aus einem dotierten oder undotierten Oxid, insbesondere aus SiO, ZnO, AlO, InO, SnO oder deren Legierungen, insbesondere aus Aluminium-Zink-Oxid (AZO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO), hergestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zwischenschicht zwischen der Metallschicht und der Halbleiterschicht angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Halbleiterschicht mindestens eine wasserstoffhaltige amorphe Silizium(a-Si:H)-Schicht.
Erfindungsgemäß wird darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle bereitgestellt, welche ein Substrat, auf welchem zumindest eine Rückelektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Frontelektrodenschicht angeordnet sind, umfasst, wobei das Aufbringen der Frontelektrodenschicht, welche aus einer Schichtstruktur besteht, welche zumindest eine Metallschicht und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht umfasst, auf die Halbleiterschicht bei einer Prozesstemperatur unterhalb von 200°C durchgeführt wird, vorzugsweise unterhalb von 150°C.
Durch die erfindungsgemäße Konfiguration einer photovoltaischen Solarzelle mit einem Schichtsystem aus transparenten Festkörper- und semitransparenten Metallschichten in Mehrfach-Schichtstapeln ist es möglich, Kontakte mit hoher Transparenz und gleichzeitig guter Querleitfähigkeit zu erzeugen. Durch die Wahl der richtigen Schichtdicken kann ein Schichtstapel bzw. eine Schichtstruktur kostengünstig und auf einfache Art und Weise erzeugt werden, welche die gewünschte hohe Transparenz und gute Querleitfähigkeit aufweist. Alle Schichten können darüber hinaus bei Temperaturen hergestellt werden, die weit unter der Zerstörschwelle des opto-elektrischen Bauelements liegen. Die Verringerung der Prozesstemperatur in dem erfindungsgemäßen Verfahren bringt sogar eine Verbesserung der optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichtstruktur gegenüber reinen TCO-Schichten mit sich. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Frontkontakt einer Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration oder einer HIT-Solarzelle durchgeführt werden, ohne die Solarzelle selbst dabei zu beschädigen oder deren Eigenschaften zu verschlechtern.
Das Substrat ist vorzugsweise als Glas, Polymer- oder Metallsubstrat oder als aus einem Verbundwerkstoff gefertigtes Substrat ausgebildet und kann aus mehreren Schichten bestehen. Das Substrat weist vorzugsweise eine Gesamtdicke im Bereich zwischen 100 μm und 5 cm auf.
Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Dünnschicht-Solarzelle;
2 ein Stromdichte-Spannung-Diagramm zur Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinien einer photovoltaischen Solarzelle gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Dünnschicht-Solarzelle;
4 ein Stromdichte-Spannung-Diagramm zur Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinien einer photovoltaischen Solarzelle gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform;
5 ein Diagramm zur Darstellung der Transmissionsspektren an einzelnen Frontelektrodenschichten der photovoltaischen Solarzelle gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung und
6 in den Teilbildern a und b jeweils eine schematische Darstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsformen der Erfindung in Ausbildung als HIT-Solarzelle.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Komponenten. Die 1, 3 und 6 geben schematische Darstellungen wieder, in denen insbesondere die Schichtdicken nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer photovoltaischen Solarzelle 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die photovoltaische Solarzelle 1 ist als nip a-Si:H Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration ausgebildet und umfasst eine nicht transparente Rückelektrodenschicht 2, welche auf einem Substrat 14 angeordnet ist, auf welcher eine Halbleiterschicht 3 aufgebracht ist, die wiederum mit einer eine Schichtstruktur 4 aufweisenden Frontetektrodenschicht 5 beschichtet ist. Die Halbleiterschicht 3 ist als Schichtstruktur umfassend drei übereinanderliegende Teilschichten (hier: n-dotierte a-Si:H Schicht, intrinsische a-Si:H Schicht und p-dotierte a-Si:H Schicht) ausgebildet. Die Schichtstruktur 4 der Frontelektrodenschicht 5 umfasst eine Metallschicht 6 und eine als Entspiegelungsschicht 7 wirkende transparente Deckschicht 8. Die Entspiegelungsschicht 7 ist aus ZnO:Al (AZO), weist eine Dicke von 50 nm auf und hat einen Brechungsindex von etwa n = 2. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde auf die 350 nm dicke Halbleiterschicht 3 aus hydrogenisiertem amorphen Silizium eine 20 nm dicke semitransparente Metallschicht 6 aufgebracht. Die Abscheidung wurde mit Hilfe eines Elektronenstrahlverdampfers bei einer Substrat-Temperatur von 20°C durchgeführt. Die Abscheidung der 50 nm dicken AZO Entspiegelungsschicht 7 wurde mit Hilfe eines RF-Magnetron-Sputterprozesses bei einer Substrat-Temperatur von 20°C durchgeführt.
Das Aufbringen der Schichtstruktur 4 kann jedoch auch mit Hilfe anderer Beschichtungsverfahren bei Prozesstemperaturen unterhalb von 200°C erfolgen, wie beispielsweise thermisches Verdampfen, CVD, Spraycoating, Laminieren, etc.
Weiterhin kann, wenn die Entspiegelungsschicht 7 nicht elektrisch leitfähig ist, die Metallschicht 6 lediglich teilbeschichtet werden.
2 ist ein Stromdichte-Spannung-Diagramm zur Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinien einer photovoltaischen Solarzelle gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der in 1 dargestellten photovoltaischen Solarzelle 1 ist durch das Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Eine weitere Strom-Spannungs-Kennlinie 10 eines Vergleichsbeispiels, welches nicht mit der 50 nm dicker Entspiegelungsschicht 7 aus transparentem ZnO:Al (2%) versehen ist, ist in 2 durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Wie hier erkennbar ist, kann durch Vorsehen der Entspiegelungsschicht 7 auf der Metallschicht 6 eine Verbesserung der Strom-Spannungs-Kennlinie erreicht werden. Der jeweils aus den Strom-Spannungs-Kennlinien 9, 10 errechnete Wirkungsgrad (η) der verglichenen Dünnschichtsolarzellen konnte von 2,5% (Kennlinie 10) auf 3,9% (Kennlinie 9) gesteigert werden.
3 ist eine schematische Darstellung einer photovoltaischen Solarzelle 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die hier dargestellte photovoltaische Solarzelle 1 unterscheidet sich dabei von der in 1 dargestellten photovoltaischen Solarzelle 1 lediglich dadurch, dass die Metallschicht 6 aus Silber (Ag) hier lediglich eine Dicke von 8 nm aufweist und nicht direkt auf der Halbleiterschicht 3 sondern auf einer zwischen der Halbleiterschicht 3 und der Metallschicht 6 angeordneten Zwischenschicht 11 aufgebracht ist. Die Zwischenschicht 11 ist ebenfalls aus AZO (ZnO:Al) und ist somit transparent und leitfähig mit einem Brechungsindex von etwa n = 2. In der hier dargestellten Ausführungsform weist die Zwischenschicht 11 eine Dicke von 50 nm auf. Die Dicke der Zwischenschicht 11 ist variabel und kann in einem Bereich zwischen 5 nm und 500 nm liegen. Wichtige Voraussetzung für die Zwischenschicht 11 ist jedoch, dass sie eine hohe Transparenz im Spektralbereich zwischen 400 nm und 1100 nm, je nach Anwendung, aufweist. Im Gegensatz zu der zur Entspiegelung dienenden Deckschicht 8 ist die elektrische Leitfähigkeit der Zwischenschicht 11 zwingend erforderlich, da ein Stromfluss aus der Halbleiterschicht 3 über die Zwischenschicht 11 in die Metallschicht 6 möglich sein muss. Als Material für die dünne Zwischenschicht 11 eignet sich eine Reihe transparenter dotierter oder undotierter Oxide, wie z. B. SiO, ZnO, AlO, InO, SnO oder deren Legierungen wie z. B. Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO). Weiterhin kommen für die Zwischenschicht 11 alle Verbindungshalbleiter mit hoher Bandlücke in Betracht, wie beispielsweise ZnS, CdSe, GaN, InGaN oder AlGaN.
4 ein Stromdichte-Spannung-Diagramm zur Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinien einer photovoltaischen Solarzelle gemäß der in 3 dargestellten Ausführurgsform. Hier ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der in 3 dargestellten photovoltaischen Solarzelle 1 ist durch das Bezugszeichen 12 gekennzeichnet. Eine weitere Strom-Spannungs-Kennlinie 13 eines Vergleichsbeispiels einer nip a-SiH Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration, auf die ein 1,5 μm dicker AZO-Kontakt (mit ZnO:Al 1%) aufgebracht wurde, ist in 2 durch das Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Bei dem Vergleichsbeispiel wurde die Abscheidung mit Hilfe eines RF Magnetron-Sputterprozesses bei einer Substrat-Temperatur von 60°C durchgeführt. Wie hier erkennbar ist, führt die in der in 3 dargestellten Ausführungsform verwendete Konfiguration der Schichtstruktur 4 mit Zwischenschicht 11 zu einer Verbesserung der Kenndaten der photovoltaischen Solarzelle 1. Der Wirkungsgrad (η) der photovoltaischen Solarzelle 1 mit der in 3 dargestellten Schichtstruktur 4 konnte im Vergleich zu einer gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellten Solarzelle von 2,5% (Strom-Spannungs-Kennlinie 12) auf 3,5% (Strom-Spannungs-Kennlinie) gesteigert werden.
5 ist ein Transmission-Wellenlänge-Diagramm, in welchem Transmissionsspektren an Einzelschichten verschiedener Vergleichsbeispiele mit dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verglichen werden. Bei den Vergleichsbeispielen handelt es sich um verschiedene kommerziell hergestellte Kontaktschichten auf reinen Glas-Substraten. Die Transmissionsmessungen verdeutlichen, dass durch die Optimierung der Schichtdicken des AZO/AglAZO-Kontaktstapels, welcher die Schichtstruktur 4 der in 3 dargestellten Frontelektrodenschicht 5 repräsentiert, ein Transmissionsspektrum erzielt werden kann, welches vergleichbar zu dem Transmissionsspektrum von kommerziell erhältlichem ITO ist. Ein Vergleich zu einer 1,5 μm dicken mittels LPCVD abgeschiedenen AZO-Schicht zeigt, dass der AZO/Ag/AZO-Kontaktstapel (Ausführungsform 3) deutlich bessere Transmissionseigenschaften aufweist. Die Querleitfähigkeit der Schichten ist, trotz unterschiedlicher Schichtdicken, bei allen Einzelschichten und Schichtsystem annähernd vergleichbar.

In der unten aufgeführten Tabelle 1 wird ein Vergleich der Querleitfähigkeit von Einzelschichten mit der Querleitfähigkeit der Schichtstruktur 4, welche in 3 dargestellt ist, aufgelistet.

Schicht	AZO/Ag/AZO	ITO	LPCVD AZO	Sputter AZO 1	Sputter AZO 2
Querleitfähigkeit	70	13 Ω	120	8 Ω	170
Schichtdicke	50 nm/8 nm/50 nm	200 nm	1,5 μm	1,5 μm	1,5 μm
Prozesstemperatur	60°C	ca. 200°C	ca. 200°C	200°C	25°C

Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Konfiguration eine Frontelektrodenschicht 5 auf eine photovoltaische Solarzelle in Form einer Dünnschichtsolarzelle mit Substrat-Konfiguration oder einer HIT-Solarzelle insbesondere bei Temperaturen deutlich unterhalb von 200°C aufgebracht werden, ohne dass teure Materialien oder aufwändige Verfahren zur Herstellung verwendet werden müssen.
Darüber hinaus kann anstelle einer Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration eine HIT-Solarzelle mit der Frontelektrodenschicht 5 gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform versehen werden. Dies ist in 6a dargestellt. Ebenso kann eine HIT-Solarzelle mit der Frontelektrodenschicht 5 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform versehen werden. Dies ist in 6b dargestellt.
In den in den Teilbildern 6a und 6b der 6 dargestellten Fällen ist jeweils kein zusätzliches Substrat notwendig, da ein Si-Wafer der HIT-Solarzelle als Substrat 14 dienen kann. Der Rückelektrodenschicht 2 wird dann direkt auf die Rückseite, der Si-Dünnschicht abgewandten Seite, des als Si-Wafer ausgebildeten Substrates 14 aufgebracht. Auch im Falle der Ausbildung der Solarzelle als HIT-Solarzelle kann die Halbleiterschicht 3 aus mehreren Halbleiter-Teilschichten, insbesondere übereinanderliegenden Teilschichten, ausgebildet sein. Abgesehen von der Ausbildung der Frontelektrodenschicht 5 kann der Aufbau der Solarzellen gemäß 6a und 6b dem vorbekannten Aufbau einer HIT-Solarzelle entsprechen.
Bezugszeichenliste

1: photovoltaische Solarzelle
2: Rückelektrodenschicht
3: Halbleiterschicht
4: Schichtstruktur
5: Frontelektrodenschicht
6: Metallschicht
7: Entspiegelungsschicht
8: Deckschicht
9: Strom-Spannungs-Kennlinie
10: Strom-Spannungs-Kennlinie
11: Zwischenschicht
12: Strom-Spannungs-Kennlinie
13: Strom-Spannungs-Kennlinie
14: Substrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sawada T. et al.: „High-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell”, Proc. of the 1st World Conference an Photovoltaic Energy Conversion Hawaii, USA, 1994 [0003]

Claims

Photovoltaische Solarzelle (1), welche ein Substrat (14) aufweist, auf welchem zumindest eine Rückelektrodenschicht (2), eine Halbleiterschicht (3) und eine Frontelektrodenschicht (5) angeordnet sind, welche Rückelektrodenschicht (2) zwischen Halbleiterschicht (3) und Substrat (14) oder auf der der Hableiterschicht (3) gegenüberliegenden Seite des Substrates (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontelektrodenschicht (5) eine Schichtstruktur (4) aufweist, welche zumindest eine Metallschicht (6) und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht (7) umfasst.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaische Solarzelle (1) als Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration ausgebildet ist, wobei die Rückelektrodenschicht (2) zwischen Substrat (14) und Halbleiterschicht (3) angeordnet ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Zwischenschichten.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaische Solarzelle (1) als als HIT-Solarzelle ausgebildet ist, wobei des Substrat (14) als Halbleiter, vorzugsweise als kristalliner Siliziumwafer, ausgebildet ist und Rückelektrodenschicht (2) und Halbleiterschicht (3) auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats (14) angeordnet sind.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) einen Brechungsindex größer als 1 aufweist.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) eine Dicke aufweist, welche in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 100 nm liegt.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (6) semitransparent ist und eine Dicke aufweist, welche in einem Bereich zwischen 3 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm und 20 nm liegt.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (6) eines oder mehrere von Ag, Cu, Au, Al, W, Mo, Zn oder Ni, Erdalkalimetalle, insbesondere Ca, Ba, Mg oder deren Legierungen, insbesondere MoAg- oder MgAg-Legierungen, umfasst.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) dotierte oder undotierte Oxide, insbesondere SiO, ZnO, AlO, InO, SnO oder deren Legierungen, insbesondere Aluminium-Zink-Oxid (AZO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO), umfasst.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) Verbindungshalbleiter mit hoher Bandlücke, insbesondere ZnS, CdSe, GaN, InGaN, oder InGaN, Polymere, insbesondere 3,4-Polyethylendioxythiophen (PEDOT), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyetherimid (PEI), Polyethylennaphthalat (PEN) oder Polyethylenterephthalat (PET), oder organische Materialien, insbesondere Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) (Alq3) oder 1-Brompropan (NPB) umfasst.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) eine hohe Transparenz in einem Spektralbereich zwischen 400 nm und 1100 nm, insbesondere zwischen 400 nm und 800 nm, aufweist.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) elektrisch leitend ist.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) die Metallschicht (6) nur teilweise abdeckt.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur (4) eine transparente Zwischenschicht (11) umfasst, welche aus einem transparenten Oxid, insbesondere aus einem dotierten oder undotierten Oxid, insbesondere aus SiO, ZnO, AlO, InO, SnO oder deren Legierungen, insbesondere aus Aluminium-Zink-Oxid (AZO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO), hergestellt ist.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (11) zwischen der Metallschicht (6) und der Halbleiterschicht (3) angeordnet ist.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) eine Dicke aufweist, welche in einem Bereich von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 100 nm liegt.
Photovoltaische Solarzelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (3) mindestens eine wasserstoffhaltige, amorphe (a-Si:H)-Schicht aufweist, vorzugsweise, dass die Halbleiterschicht (3) als Schichtstruktur aus mehreren Teilschichten ausgebildet ist, von welchen Teilschichten mindestens eine Teilschicht als amorphe (a-Si:H)-Schicht ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle (1), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass des Aufbringen der Frontelektrodenschicht (5), welche aus einer Schichtstruktur (4) besteht, welche zumindest eine Metallschicht (6) und eine zur Entspiegelung dienende transparente Deckschicht (7) umfasst, auf die Halbleiterschicht (3) bei einer Prozesstemperatur unterhalb von 200°C durchgeführt wird, vorzugsweise unterhalb von 150°C.