Beschreibung von I -V -Kennlinien mit Hilfe des Zwei-Dioden-

Eine Solarzelle ist in erster N¨aherung eine fl¨achige Diode, in der durch Beleuch-tung Strom generiert wird. Solarzellen lassen sich daher als eine Parallelschal-tung aus einer Stromquelle und einer Diode auffassen. Um eine reale Solarzelle zu beschreiben, m¨ussen dem Ersatzschaltbild in Abbildung 1.5 jedoch mehrere Elemente hinzugef¨ugt werden.

In einer Solarzelle entstehen Ohmsche Verluste durch den Ladungstransport in der Zelle, beispielsweise im Kontaktgitter auf der Zellvorderseite. Sie werden durch den Serienwiderstand R_serie ber¨ucksichtigt.

Der Parallelwiderstand R_parallel fasst Kurzschl¨usse zusammen, die in realen So-larzellen oft am Zellrand, wo der pn- ¨Ubergang an die Oberfl¨ache st¨osst, oder bei multikristallinen Zellen an Korngrenzen auftreten.

In g¨unstigen Ausnahmef¨allen kann der pn- ¨Ubergang als eine ideale Diode (mit Idealit¨atsfaktorn₁ = 1) beschrieben werden. Zur Beschreibung derI-V-Kennlinien der meisten Solarzellen ist eine ideale Diode jedoch nicht geeignet. Eine M¨ oglich-keit, eine Kennlinie dennoch zu beschreiben, besteht dann darin, den Idealit¨ ats-faktor der Diode anzupassen. Alternativ kann eine zweite Diode mit n₂ = 2 ein-gef¨uhrt werden. Deren Existenz kann mit Rekombinationsstr¨omen in der Raumla-dungszone erkl¨art werden [20, 21]. Die Rekombinationsstr¨ome der zweiten Diode entstehen vorwiegend nicht in der Raumladungszone im Kristallvolumen, sondern in der unpassivierten, defektreichen Raumladungszone an den Zellkanten, wo der pn- ¨Ubergang an die Zelloberfl¨ache st¨osst [22]. Oft werden auch Idealit¨atsfaktoren n2 >2 beobachtet, f¨ur deren Erkl¨arung komplexere Rekombinationsmechanismen als die Shockley-Read-Hall Rekombination angenommen werden m¨ussen [23].

Die elektrischen Eigenschaften der meisten Solarzellen k¨onnen demnach mit Hilfe des Zwei-Dioden-Modells beschrieben werden. F¨ur die I-V-Kennlinie ergibt sich nach diesem Modell folgende Gleichung:

1.2. I-V-KENNLINIEN 17

mit e: Elementarladung, k: Boltzmann-Konstante,J_photo: durch Licht generierter Strom und T: Temperatur in Kelvin. Dabei kann meistn1 = 1 undn2 = 2 gesetzt werden.

Bei großfl¨achigen Solarzellen variieren die Parameter des Zwei-Dioden-Modells

¨uber die Zellfl¨ache. So ergibt sich beispielsweise bei multikristallinen Solarzellen durch unterschiedliche Lebensdauern in einzelnen K¨ornen und den Korngren-zen eine ortsabh¨angige S¨attigungsstromdichte J₀₁ der ersten Diode. Wie schon oben erw¨ahnt, entsteht auch der Strom in der zweiten Diode J02 uberwiegend¨ lokal im pn- ¨Ubergang an der Zellkante. Um die Kennlinie der gesamten Zelle zu ermitteln, m¨ussen dann die lokalen S¨attigungsstromdichten ¨uber die Zellfl¨ache integriert werden (z.B. I01 = ^R J01dA). Dabei ergibt sich eine zu Gleichung 1.2 analoge Gleichung, so dass die Kennlinie der gesamten Zelle ebenfalls mit dem Zwei-Dioden-Modell beschreibbar ist.

Die einfache Integration der Stromdichten ist jedoch nicht mehr m¨oglich, wenn die Spannung, die tats¨achlich ¨uber den pn- ¨Ubergang abf¨allt V_pn =V −J·R_serie erheblich ¨uber der Zellfl¨ache variiert. In diesem Fall ergeben sich ungew¨ohnlich geformte Kennlinien, deren Auswertung erheblich erschwert ist [24, 25], da sie nicht mehr mit dem einfachen Zwei-Dioden-Modell beschreibbar sind.

Solche ortsabh¨angigen Spannungen V_pn k¨onnen sich insbesondere dann ergeben, wenn Teile der Zelle nur sehr schlecht kontaktiert sind. Dies kann bei konventio-nellen Zellen mit siebgedruckter Metallisierung beispielsweise durch Fingerunter-brechungen oder durch ¨uberfeuerte Kontakte der Fall sein [26]. Bei R¨ uckkontakt-solarzellen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, k¨onnen Bereiche mit sehr hohen Serienwiderst¨anden aber auch durch den Aufbau der Zelle entstehen.

Auch siebgedruckte Solarzellen mit gleichrichtenden Kurzschl¨ussen, die durch Sil-berpaste verursacht werden, k¨onnen nicht mit dem Zwei-Dioden-Modell beschrie-ben werden. Die gleichrichtenden Kurzschl¨usse k¨onnen durch eine Serienschaltung einer Diode mit n = 2 und einem Ohmschen Serienwiderstand beschrieben wer-den [27], so dass nicht die gleichrichtende Eigenschaft dieser Kurzschl¨usse die Beschreibung der Solarzellen im Zwei-Dioden-Modell verhindert, sondern der in Serie geschaltete Widerstand.

Kapitel 2

R¨ uckkontaktsolarzellen

In diesem Kapitel soll dargestellt werden, warum R¨uckkontaktsolarzellen als at-traktive Alternative zu konventionellen Solarzellen angesehen werden. Hierf¨ur werden verschiedene Zellkonzepte eingef¨uhrt und ihre Vor- und Nachteile disku-tiert.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer kristallinen Siliziumr¨ uckkontaktso-larzelle im Format 15.6 x 15.6 cm², die zeitnah in die industrielle Produktion transferiert werden kann. Unter dieser Voraussetzung ist es vielversprechend, das Metallisation Wrap Through Konzept genauer zu untersuchen.

Die Argumentation dieses Kapitels folgt dabei in weiten Teilen einem k¨urzlich ver¨offentlichten ¨Ubersichtspaper von Van Kerschaver [5].

2.1 Motivation

Das Hauptaugenmerk der gegenw¨artigen Forschung auf dem Gebiet der Photo-voltaik f¨ur terrestrische Anwendungen gilt der Reduktion der Kosten f¨ur den mit Solarzellen erzeugten Strom. Dies ist sowohl durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Zellen als auch durch eine Senkung der Produktionskosten erreichbar. Weltweit wurden 2005 ¨uber 85 % der Solarzellen mit dem in Kapi-tel 1 beschriebenen HersKapi-tellungsprozess mit Dickfilmmetallisierung hergesKapi-tellt [3].

Die Ver¨anderungen der letzten Jahre an diesem seit langem bekannten Prozess beschr¨ankten sich, abgesehen von der nun verbreitet eingesetzten Texturierung der Zellen, im Wesentlichen auf Optimierungen des bestehenden Prozesses. Eine Kostenreduktion wurde bisher haupts¨achlich durch die Produktion gr¨oßerer Men-gen und der damit m¨oglich gewordenen hohen Automatisierung erreicht. Dar¨uber hinaus besteht ein starker Trend zur Nutzung immer gr¨oßerer und d¨unnerer Sub-strate. Die Modulhersteller mussten sich dieser Entwicklung anpassen, und trotz der hohen Komplexit¨at der Automatisierung bei der Verschaltung konventioneller Solarzellen schreitet diese auch hier fort [28]. Die herk¨ommliche

Verschaltungs-19

Abbildung 2.1: Serienschaltung bei konventionellen Solarzellen. Die Zellvorderseite muss mit der R¨uckseite einer benachbarten Zelle verbunden werden.

technologie, bei der gel¨otete, sehr gut leitende Verbinder¹ die Vorder- und R¨ uck-seite benachbarter Zellen verbinden (siehe Abbildung 2.1), st¨osst dabei jedoch an ihre Grenzen [5]. Mit zunehmender Zellfl¨ache steigt auch der in den Zellen gewon-nene Strom an. Von einer 21×21cm² großen, multikristallinen Solarzelle werden am Arbeitspunkt etwa 14 A Strom generiert. Um diese hohen Str¨ome verlustarm abzuf¨uhren, muss bei großen Solarzellen der Querschnitt der Verbinder senkrecht zum Stromfluss erh¨oht werden. Dies k¨onnte prinzipiell durch dickere oder breitere Verbinder erreicht werden, wobei sich beide Ans¨atze als problematisch erweisen.

Die Dicke der Verbinder wird durch die mechanischen Spannungen limitiert, die sich in der L¨otverbindung durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs-koeffizienten des Verbinders und des Siliziums aufbauen [29]. Dieser Effekt spielt bei d¨unneren Zellen eine noch gr¨oßere Rolle. Der Spielraum, die Breite der Ver-binder zu erh¨ohen, ist ebenfalls sehr beschr¨ankt, da damit eine Erh¨ohung der Abschattungsverluste verbunden ist.

Breite Verbinder k¨onnten verwendet werden, falls sie ausschließlich auf der Zellr¨uckseite verlaufen, jedoch an bestimmten Stellen auf die Vorderseite der Zellen greifen und so eine Verbindung zum Frontkontakt hergestellt wird. Die Verbindung kann dabei entweder mit Hilfe einer Klammer um die Kante der Zel-le herum [30] oder durch L¨ocher, die in die Zellfl¨ache eingebracht werden, mit Stiften [31] bzw. Dr¨ahten [32] erfolgen.

Großz¨ugig dimensionierte Verbinder k¨onnen ebenfalls zur Verschaltung von R¨ uck-kontaktsolarzellen verwendet werden. Als R¨uckkontaktzellen sollen hier Solarzel-len bezeichnet werden, bei denen sich die externen Kontakte (also ihre “Anschl¨ us-se”) beider Polarit¨aten auf der R¨uckseite befinden.

Eine Verlagerung der Zellverschaltung auf die R¨uckseite erlaubt es, den Modul-wirkungsgrad nicht nur durch eine Reduzierung der elektrischen Verluste, sondern auch durch eine erh¨ohte Packungsdichte der Zellen zu steigern. Auch die R¨ uck-kontaktsolarzellen selbst haben das Potential, durch die verringerte Abschattung, die sich durch die eingesparte Fl¨ache der Kontakte auf der Vorderseite ergibt, den Modulwirkungsgrad zu verbessern. Dar¨uber hinaus weisen solche Module ein ho-mogeneres Erscheinungsbild auf, was f¨ur Anwendungen, bei denen der optische Eindruck wichtig ist, vorteilhaft ist. Dazu geh¨ort insbesondere der schnell

wach-1Verbinder bestehen meist aus d¨unnen, verzinnten Kupferb¨andern.

2.2. ZELLKONZEPTE 21