JPH07503105A - 集積回路化されたスタックドセル太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 集積回路化されたスタックドセル太陽電池モジュールアモルファスシリコン（ａ −５ｉ：Ｈ）からなる太陽電池セル（Ｓｏ１ｇ＋ｔｅｌｌ）および太陽電池モジ ュール（Ｓｏｌｉ＋ｍｏｄｕｌ）は光の影響下で本来の出力の４０％までの電気 的出力の低下を示す。太陽電池の運転の間に生じるこの老化プロセスは１８０℃ での温度処理によって解消することができるが、光の影響で新たに始る。

太陽電池セルの場合にスティブラーーウロンスキー作用（ＳＩａｅｂｌｅ＋−Ｗ ＋ｏｎｓｋｉ−Ｅｌｌｅｋｌ）としても表される老化作用を回避する可能性は、 活性１一層の製造のために比較的小さいバンドギャップを有する混合半導体を使 用することにある。同様に、約３００ｎｍの層厚を下回りほとんど老化を示さな い薄い１一層を有するアモルファスシリコンからなるｐｌｎ−太陽電池セルを製 造することも可能である。もちろんこの種の薄いｌ一層は太陽光スペクトルの赤 色成分を完全には吸収せず、その結果、このセルを用いると低すぎる短絡電流が 得られる。

比較的薄い】一層を有するがより高い赤色吸収を示す太陽電池セルを製造する可 能性はスタックドセル（Ｓｌａｂｅｌχｅｌｌｅｎ）により提供される。このよ うなスタックドセルはそれぞれ２つ以上のそれ自体薄い個々のセルから構成され 、大部分の太陽光を吸収する。二重セルはｐｉｎ−ｐｉｎ構造を有し、三重セル はｐｌｎ−ｐｉｎ−ｐｉｎを有し、以後同様である。スタックの部分セルの１一 層は、１種類の同じ半導体材料からなるか、または多様な半導体材料から、たと えばケイ素／炭素またはケイ素／ゲルマニウム合金から製造される。

タンデム型セル（Ｔｓｎｅａ＋ｔｅｌｌｅｎ）または一般的なスタックドセルは 、実際に、同じかまたはより高い効率の際に、光線老化に対して比較的高い安定 性を示す。

この場合、一つのスタックの複数のセルは光学的に直列に接続しており、かつ最 も簡単な場合に、電気的に直列接続されている。積層されたセルの光電圧は加算 され、一方、光電流は一致させなければならない。このようなスタックドセルに おいて最大で達成することができる光電流は、最も弱い個々のセルの光電流によ り決定される。

しかし、電流調節または電流マツチング（ｅｕ目ｅｎ１ｍａｔｃｈｉｎｇ）は、 特に大面積の太陽電池モジュールを製造する場合、困難に実施できるにすぎない 。活性半導体層の析出の際の層厚の変動は、支持体面積が大きくなると共に著し くなり、光電流に影響を及す。

電流の整合の問題を回避するために、欧州特許第０３２６８５３号明細書におい て、ｐｉｎｉｐまたはｎ１ｐｉｎ構造を有するスタックドセルを使用し、一つの モジュールに集積して接続することを最初に提案した。この装置においては、タ ンデム型セルの両方の積層された太陽電池セルは電気的に並列に接続され、この 場合、部分セルの光電流が加算される。できる限り同じの光電圧を有するために 、なお必要であるのは部分セルの電圧の一致だけである。しかし、太陽電池セル の作業範囲において、光電圧は光電流にあまり依存しないため、タンデム型セル またはスタックドセルの電圧の整合は、直列接続の場合の電流の整合よりも明ら かに簡単に並列接続を用いて実施することができる並列接続を用いた公知のタン デム型太陽電池モジュール（Ｔａｎｄｅｍｓｏｌａ＋ｍｏｄｕｌ）の欠点は、簡 単な薄層太陽電池モジュールに比べて複雑な構造であり、スタックドセル間の分 割溝において側面の絶縁が必要であり、その際に回路化のために層中での多段に わたる接続が行われることである。

従って、本発明の課題は、公知の薄層構造化技術を用いて簡単に製造可能であり 、かつその場合、技術的に簡単であり、かつ活性反動体表面の同時の最小の損失 においても確実な回路化が保証されるスタックドセル太陽電池モジュールのため の簡素化された構造を提供することであった。

前記の課題は、支持体上にそれぞれｎ個の薄層太陽電池セルを備えた多数の太陽 電池セルスタックがストランド状に並んで配置されている多層太陽電池モジュー ルにおいて、次の特徴゛ ａ）　太陽電池セルがそれぞれｐｎ−接合またはｐｌｎ−構造を有しており、 ｂ）　半導体接合の方向は、太陽電池層のそれぞれがその上の太陽電池層に対し て反対向きになっており、Ｃ）　太陽電池セルの電極は透明層であり、ストラン ドに対して垂直の断面でみて、その回路化と共に規則的な櫛状構造を形成し、こ の構造はそれぞれｎ＋１個の歯を有し、この歯は支持体に対して垂直にそれぞれ ２つのスタックの間にある背の両側に交互に配置されており、 ｄ）　それぞれの一つのスタックのｎ＋１個の電極層は、スタックの両側に隣接 する櫛状構造体の歯によって形成され、その際、これらの構造体は接触せずにそ の中に入り込んでおり、 その際、それぞれの櫛状構造体は、一方のスタックの太陽電池セルのｐ−側が、 隣接するスタック中のｎ−ドーピング側と電気的に接続しており、一つのスタッ ク全体の太陽電池セルは電気的に並列であり、複数のスタックはモジュール全体 にわたり電気的に直列に配置されており、その際、ｎ≧２であることを特徴とす る多層太陽電池モジュールにより解決される、さらに本発明の実施態様ならびに 太陽電池モジュールの製造方法は請求項２以下から推知することができ本発明に よるモジュールは、もっばら規則的な構造および従って簡単な構造を有しており 、その製造方法は、薄層太陽電池モジュールと比較して、付加的な技術的費用を 必要とせず、従って公知のモジュールと製造技術的に適合する。

スタック中で積層された薄層太陽電池セルの可能な数ｎは、本発明による構造の 場合可変であり、２以上である。それにより、個々の太陽電池セルは任意に薄く 製造することができ、従って、光線老化は減少する。

同時に、比較的薄い層の僅かな吸収をスタック中で多数の太陽電池セルにより補 償することができるため、高い光線吸収が保証される。全体の吸収については、 スタック中のｎ個の薄層太陽電池セルの全体の層厚に関係している。

ストランド状の太陽電池セルのスタックにおいて個々の太陽電池セルは正確に相 互に積層配置され、その結果、モジュール内での回路化により活性半導体面の最 小の損失が必要なだけであり、この損失はストランドあたりもしくはスタックあ たり溝幅１本に相当し、つまり公知の薄層モジュールの場合よりは多くない。

新規のモジュール構造は、原則的に、全ての集積構造化された半導体材料にとっ て、ひいてはほとんど全ての薄層太陽電池セルに適した半導体にとって適当であ る。特に、ケイ素からなるアモルファス層（ａ−３１：Ｈ）または、たとえばゲ ルマニウムとの合金（ａ−３ｉ／Ｇｅ　：　Ｈ）ならびに純粋なゲルマニウムか らなるセル（ａ　−Ｇ　ｅ　：　Ｈ）または多結晶黄銅鉱材料、たとえば二セレ ン化銅インジウムまたは二セレン化銅ゲルマニウムである。できる限り薄い半導 体層が所望の場合、つまり全ての材料がたとえば光線老化を示すかまたは厚い層 の製造の際に技術的に困難である場合に、特に本発明によるモジュール構造が常 に有利である。

本発明による太陽電池モジュールにおいて、モジュール出力において損失をなく すために、電圧の整合は必要である。このことはスタック中の太陽電池セルに対 して無条件に同一の材料を必要としないが、これは望ましくかつ有利である。

従って、光線はスペクトルの利用可能な部分において、モジュールの出力損失を 生じさせずにほとんど完全に吸収することができる。

支持体とは反対のスタック構造の側も光入射側として用いることができるが、支 持体側が有利である。従って、支持体材料として通常のガラスが選択され、一方 、透明な導電性電極について、公知のＴＣＯ材料、たとえばドーピングされた金 属酸化物、たとえばフン素ドーピングした酸化スズ（Ｓｎ０２：Ｆ）、ホウ素ド ーピングした酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｂ）またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等 を使用することができる。

最上の電極層は、同様にＴＣＯからなるか、またはスタック中で吸収されなかっ た光を太陽電池セル中へ反射させるために金属層からなることができる。

スタック中の太陽電池セル層の数ｎは任意に高めることができるが、多数の必要 な層についての製造費用により制限されるため、実際に最少の数のセルが有利で ある。さらに本発明による有利な効果はすでにタンデム型モジュールの場合にす でに完全に傑出しており、従って２よりも多い層はあまり必要とならない。

次に、本発明を実施例およびそれに所属する８つの図面につき詳説する。その際 、第１図〜第５図は、２つの太陽電池セル層を有するスタックドモジュールの製 造の際の異なる方法工程を示す断面図を表し、第６図は、３つの太陽電池セル層 を有する本発明によるモジュールを表す。第７図および第８図はｎ　＝　２およ びｎ＝３を有するモジュールの等価回路図を表す。

第１図゛たとえば２ｍｍの厚さを有するガラス支持体Ｓ上に第１の電極層ＥＳＩ を、たとえばＴＣＯ材料のＰ　Ｅ　ＣＶＤ　（ｐｌａｓｍａ　ｅｎｈａｎｃｅｄ 　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリ ングにより析出させる。

引続き、第１の電極層をレーザーを用いて構造化し、その際、電極材料を取去る ことにより、相互に平行な狭い溝Ｇ１を製造し、その結果、電極ストランドはた どえば１〜５ｃｍの幅のままである。溝Ｇ１の幅は、できる限り狭く選択され、 レーザーを使用する場合、約５０μｍである。

第２図：第１の電極層ＥＳＩのストランドの全面に、第１の薄層太陽電池セルＤ ＳＩを製造し、この場合、ａ　−Ｓ　ｉ　°Ｈｐｉｎ−ダイオードであり、その 際、ＰＥＣＶＤ法が使用される。第１の薄層太陽電池ＤＳ１の構造化は、同様に レーザーを用いて行われ、その際、溝Ｇ２は溝Ｇ１に対して平行に製造され、こ の溝はこれに対して溝幅１本分以上ずらされており、その結果、溝Ｇ２の底部で は第１の電極層ＥＳＩの表面が露出している。

第３図：太陽電池セルＤＳＬの全面に、第２の電極層ＥＳ２を設け、レーザーを 用いて同様の方法で構造化し、その際、溝Ｇ３はＧ２に対しておなし方向にさら に溝幅１本分以上ずらされて製造され、その際、薄層太陽電池セルＤＳＩの表面 が露出している。

第４図゛次の工程において、その半導体接合の方向に関して第１の太陽電池セル ＤＳＬとは反対の構造（ここはｎ１ｐ）を有する第２の薄層太陽電池セルＤＳ２ を全面に製造した。引続きさらにレーザーで構造化し、その際、溝Ｇ４が製造さ れ、この溝は溝Ｇ２に対して他の方向で横にずらされており、その結果、溝Ｇ２ の真上に置かれる。

第５図、仕上げられたタンデム型太陽電池モジュールの製造のための最後の工程 として、第３のＴＣＯｔ極層Ｅ極層全Ｓ３の電極層ＥＳＩと同様の方法で製造し 、構造化した。

第５図で例示された本発明によるタンデム型太陽電池モジュールについての構造 は、本発明の範囲内でされに変えることができる。たとえば、スタック中で異な る厚さの太陽電池セルを相互に重ねて配置させ、その際、第２の太陽電池セルＤ Ｓ２がより厚い層厚を有する。実施態様例においては、第１の太陽電池セルＤＳ １はたとえば３００ｎｍの厚さを有し、第２の太陽電池セルＤＳ２は３００〜５ ００ｎｍの厚さを有することができる。可能な層厚の下限は、物理的なパラメー ターではなく技術的なパラメーターにより決定される。約２５ｎｍ以上の層厚で すでに、ｐｉｎ−太陽電池において光電流が観察された。しかし、層厚の変動ま たは支持体またはその上に析出する層の構造における非平坦性に基づき、薄い層 の場合には、１つのスタック内の２つの電極層の間での短絡の危険が生じ、これ がモジュールの電力を低下させてしまう。従って、大規模工業的に確実に製造可 能な層厚が有利である。

！極層の厚さは、その導電性に相応して決定される。

ホウ素をドーピングした酸化亜鉛を使用する場合、約１μｍの厚さで十分である 。しかし、層中でのより大きい構造体幅もしくは２つの隣接する溝Ｇの間でのよ り大きい間隔も、電極層ＥＳのより高い導電性を必要とし、ひいてはより厚い層 厚を必要とする。

構造体幅は、一般に選択された支持体の大きさによ特表千７−５０３１０５　（ ５） り決定される。電気的に直列接続された太陽電池セルスタックのセル電圧が作動 時率で１２〜１４ボルトの給電圧に合計されるような数のストランド状の太陽電 池セルスタックが製造される。ａ−５ｉ：Ｈからなるここのセルの電圧が約０． ６から０．８ボルトにあるためには、所望の最終電圧のために約２０以上のスト ランドが必要である。この場合、ストランドの幅は５ｃｍまでである。

第６図には、スタック内にの３層の薄層太陽電池セルを有する本発明によるスタ ックドセル太陽電池モジュールが示されている。このためにタンデムセル構造（ 第５図参照）にｐｉｎ構造を有するもう一つの薄層太陽電池セルＤＳ３を析出さ せ第１および第２の薄層太陽電池セルＤＳＬもしくはＤＳ２と同様の方法で構造 化される。背面電極は第４の電極層ＥＳ４により形成され、この電極層は第２の 電極層ＥＳ２と同様の方法で製造され、活性の半導体面の損失を少なく保つため に電極層ＥＳ２と同様に構造化される。

この図面では、電極ストランドＥＳが断面で櫛状構造ＫＳを形成することが認識 できる。本来の溝Ｇ２およびＧ４によって形成される電極材料からなる軸は櫛の 背を表し、両側の方向に延びる櫛の歯が太陽電池セルのための電極層を表す。他 の表現では、太陽電池セルスタックＳＺの電極は第１の櫛状電極ＫＳＩと第２の 櫛状電極ＫＳ２とによって形成され、これらの２つの電極の歯は接触せず（短絡 を回避するため）にお互いの中にもしくは太陽電池セルスタックＳＺの中に入り 込んでいる。モジュールの端部の外側の櫛状構造体ＥＫＳは、中央の櫛状構造体 ＫＳと同じ構造であるが、一方の太陽電池セルスタックとだけ隣接しており、従 って一方の側にだけ延びる歯もしくは電極ストランドＥＳを有している。末端構 造体ＥＫＳにはモジュールと消費機器またはメモリーユニットとの接続のために 接触が行われている。

最上の！極層ＥＳ３　（ｎ＝２）として金属層が全面に設けられる場合、同時に 溝Ｇ５の領域内に露出する下側にある太陽電池セル層ＤＳ２を構造的に変化させ ずに、上からレーザーを用いて直接構造化するのは不可能であるかまたは著しく 困難であり、その際、太陽電池セルの短絡の危険が生じる。この構造化工程のた めに、他に、たとえば欧州特許出願第９１１１７０５１．１号明細書で提案され たように、支持体側からガラス支持体を通してレーザーを用いて入射させること もできる。構造化のために使用されるレーザーの焦点での第２の太陽電池セルＤ Ｓ２と第２の電極層ＥＳ２との間の境界面での局所的な著しい加熱により、焦点 の範囲内の第２の太陽電池セル層とその上にある第３の電極層ＥＳ３との間の破 裂が生じる。この工程のために、もちろん溝幅Ｇ２を溝幅Ｇ４よりも明らかに広 くし、支持体Ｓを通過して入射されるレーザー光線は太陽電池セル層ＤＳおよび 電極層ＥＳ（ここではＥＳ２／ＤＳ２）の間の一つ境界面だけが見える。従って 、溝幅Ｇ２はこの変法のために、少なくとも、切断装置（レーザー）と装置の調 整制度との許容差から生じる許容値を含めた溝幅Ｇ４およびＧ５の和から算定し なければならない。

しかし、層の積層化を継続する場合（ｎ≧２）には、支持体Ｓを通した構造化は もはや不可能である。慣用の上方からのレーザー構造化法の他に、全ての他の構 造化工程の場合にも取除き技術を使用することができる。このため、構造化すべ き層を生成もしくは析出させる前に、後の溝Ｇの範囲内に取除き可能な構造化ベ ース１〜を、たとえばスクリーン印刷を用いて塗布する。

印刷されたペースト上に構造化すべき層を生成した後に、これは機絨的に取除か れ、その上にある構造化すべき層はペーストの範囲内で一緒に取除かれる。従っ て、それぞれのレーザー構造化工程は、この方法において、取除き技術に必要な 工程である、構造化ライン（溝）の範囲内での構造化ペーストの塗布およびその 上に置かれた層領域ともどもの構造化ペーストの取除きによりにより置換えるこ とができる。この２つの工程は、技術的に簡単に実施することができ、従って、 レーザー構造化に代る方法である。

第７図は、第５図に示されたスタックドセル太陽電池モジュールについての等価 回路図を示す。この太陽電池セルは、その半導体接合の方向に相応してダイオー ドとして示されており、一方、書込まれた接続線は櫛状電極構造体を表す。

第８図には、３層の太陽電池セル層からなるスタックドセル太陽電池モジュール （第６図参照）についての等価回路図を表す。太陽電池セル（ダイオード）はス タック中では並列であるが、スタックを介して直列接続していることを確認する ことができる。

国際調査報告　ＰＣＴ／ＤＥ　９３１０００５１ＰＣＴ／ＤＥ　９３１０００５ １ フロントページの続き （７２）発明者　リードル、ヴオルフガングドイツ連邦共和国　Ｄ　−８０００ ミュンヘン１９　アンドレエシュトラーセ　２ （７２）発明者　プフライデラー、ハンスドイツ連邦共和国　Ｄ−８０００ミュ ンヘン５０　ゲルトナーシュトラーセ　３６

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．支持体上にそれぞれｎ個の薄層太陽電池セルを備えた多数の太陽電池セルス タックがストランド状に並んで配置されている多層太陽電池モジュールにおいて 、次の特徴： ａ）太陽電池セルがそれぞれｐｎ−接合またはｐｉｎ−構造を有しており、 ｂ）半導体接合の方向が一つの太陽電池セル層がその上の太陽電池セル層に対し てそれぞれ反対向きになっており、 ｃ）太陽電池セルの電極は透明層であり、ストランドに対して垂直の断面でみて 、その相互接線と共に、規則的な櫛状構造を形成し、この構造はそれぞれ（ｎ＋ １個）の歯を有し、この歯は、支持体に対して垂直にそれぞれ２つのスタックの 間にある背の両側に交互に配置されており、 ｄ）それぞれの一つのスタックのｎ＋１個の電極層は、スタックの両側に隣接す る櫛状構造体の歯によって形成され、その際、これらの構造体は接触せずにその 中に入り込んでおり、 その際、それぞれの櫛状構造体は、１つのスタックの太陽電池セルのｐ−側が、 隣接するスタック中のｎ−ドーピング側と電気的に接続しており、１つのスタッ クの全体の大腸電池セルは電気的に並列であり、複数のスタックはモジュール全 体にわたり電気的に直列に配置されており、その際、ｎ≧２であることを特徴と する多層太陽電池モジュール。
2. ２．スタック中での薄層太陽電池セルの層厚が全体の層厚に加算され、この全体 の層厚は太陽電池セル材料の感応性領域で最大８０％以上の吸収を示す請求項１ 記載の太陽電池モジュール。
3. ３．太陽電池セルのために、広い面に析出可能で、集積した構造化が可能である 半導体材料を使用する請求項１または２記載の太陽電池モジュール。
4. ４．太陽電池セルがアモルファスシリコンからなる請求項３記載の太陽電池モジ ュール。
5. ５．支持体が透明であり、場合により最上の電極層を除いた全体の電極層が透明 な導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる請求項１から４までのいずれか１項記載の太 陽電池モジュール。
6. ６．それぞれのスタックが２つの太陽電池セル層からなる（ｎ＝２）請求項１か ら５までのいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
7. ７．集積回路化されたスタックドセル太陽電池モジュールの製造方法において、 次の工程：ａ）透明な支持体上に透明な電極層を全面に製造し、 ｂ）第１の電極層をストランド状に構造化し、ｃ）ストランド状に構造化された 第１の電極層上にｐｉｎ−またはｐｎ−構造を有する第１の薄層太陽電池セルを 全面にわたり製造し、 ｄ）第１の薄層太陽電池セルを、第１の電極層のストランドに対して平行でかつ 横方向にずらして、ストランド状の太陽電池セルを分割する溝中で、最初の電極 層のストランドの表面が露出するように構造化し、 ｅ）第２の透明な電極層を全面に析出させ、ｆ）第２の電極層を、ストランド状 の第１の薄層太陽電池セルに対して平行でかつ同じ方向で横側にずらしてストラ ンド状に構造化し、 ｇ）半導体接合の方向に関して第１の薄層太陽電池セルに対して反対の構造を有 する第２の薄層太陽電池セルを全面に析出させ、 ｈ）第１の薄層太陽電池セルに相応して第２の薄層太陽電池セルを構造化させ、 ｉ）第３の電極層を全面に製造し、 ｊ）第３の電極層を第１の電極層に相応して構造化する ことを特徴とする集積回路化されたスタックドセル太陽電池モジュールの製造方 法。
8. ８．第３の電極層上に、さらに１つ以上の薄層太陽電池セルおよび１つ以上の電 極層を工程ｇ）からｊ）を繰返すことにより製造し、構造化し、その際、それぞ れのさらなる薄層太陽電池セルは、それぞれ下側にある太陽電池セルに対して反 対の構造を有しており、全体の太陽電池セル層の構造化は同じであり、一方、電 極層ｘの構造化は電極層ｘ−２の構造化に相応して行う請求項７記載の方法。
9. ９．太陽電池セルおよび電極層の構造化のためにレーザーを使用する請求項７ま たは８記載の方法。
10. １０．電極層および／または太陽電池セル層の構造化のために取除き技術を使用 する請求項７または８記載の方法。
11. １１．ガラスからなる支持体を使用し、電極材料として、ドーピングされた金属 酸化物を使用し、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなるｐｉｎ構造を 有する薄層太陽電池セルを製造し、積層された太陽電池の数ｎは２〜４である請 求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. １２．最上の電極層として金属層を製造し、最上の電極層の構造化をその下側に ある太陽電池セルを含めてレーザーで行い、その際、支持体および構造化すべき 層の下側にある透明電極層を通して入射させる請求項７から１１までのいずれか １項記載の方法。