DE3650653T2

DE3650653T2 - Lichtdurchlässiger photovoltaischer Modul

Info

Publication number: DE3650653T2
Application number: DE3650653T
Authority: DE
Inventors: Elliot Berman; Charles F Gay; Stephen C Miller; David P Tanner
Original assignee: Siemens Solar Industries LP
Current assignee: Shell Solar Industries LP
Priority date: 1985-06-04
Filing date: 1986-06-04
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2006-06-05
Also published as: EP0204562A2; US4663495A; JPS627170A; EP0204562B1; EP0204562A3; DE3650653D1; JPH0642562B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Photovoltaik, und insbesondere ein Dünnschicht- Photomodul mit transparenten Vorder- und Rückelektrodenanordnungen.
Bekannte photovoltaische Zellen sind typischerweise undurchsichtig gewesen, und erstrecken sich von einer ersten lichteinfallenden Oberfläche, die eine transparente leitfähige Elektrode hat, zu einer zweiten Rückoberfläche, die init einem metallischen Elektrodenfilm bedeckt ist. Metallische Rückelektroden sind bevorzugt worden, weil sie sowohl leitend als auch reflektierend sind, was den Sammelwirkungsgrad der Vorrichtung erhöht und nicht benutztes Licht durch die Halbleiterschicht zurückreflektiert zur Verwendung von Erzeugung von Elektrizität.
Ein wichtiges Problem, das mit photovoltaischen Paneelen verbunden ist, ist der benötigte Raum um sie in voller Sicht des Sonnenlichts anzuordnen. Wenn ein undurchsichtiges Modul einen Schatten auf ein anderes Modul für einen gesamten oder Teil eines Tages wirft, wird der beschattete Bereich des zweiten Moduls wirksam von dem stromerzeugenden System entfernt.
Eine Möglichkeit das Problem der Modulgröße und Sperrigkeit zu lösen, ist ein Ausbilden gestapelter Module, in denen eine Zellanordnung über einer anderen Zellanordnung positioniert wird, so daß Licht, das unabsorbiert durch die obere Anordnung hindurch tritt von der unteren Anordnung absorbiert wird. US Patent Nr. 4,461,922 offenbart eine gestapelte Anordnung, in der ein oberes Dünnfilmpaneel, das im Prinzip der in Figuren 1 bis 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigten Ausführungsform entspricht, ein transparentes Elektrodenpaar hat, um ungenutztes Licht an ein niedrigeres Paneel für photovoltaische Zwecke weiterzuleiten. Jedoch sind solche Module teurer herzustellen, als Einzelpaneele und sind für einfallendes Licht undurchsichtig. Des weiteren sind spezielle Rückelektrodenstrukturen, die eine Transmission von infrarotem Licht abschwächen, nicht offenbart.
Eine "zweiflächige" (bifacial) Anordnung, die fähig ist Solarenergie an entgegengesetzten Oberflächen davon zu empfangen, ist offenbart in Cuevas, et al, "50 Percent More Output Power From An Albedo-Collecting Flat Panel Using Bifacial Solar Cells", Solar Energy, 29-5, Seiten 419-420 (1982). Die darin offenbarte Anordnung umfaßt eine Mehrzahl von p-Typ kristallinen Substraten mit diffundierten Regionen auf entgegengesetzten Hauptoberflächen davon. Jedes Substrat bildet ein paar unabhängiger Solarzellen, das fähig ist Licht von entgegengesetzten Richtungen zu empfangen. Die Zellen werden entsprechend kostenspieliger Kristallsiliciumtechnologie hergestellt, was den Gebrauch von netzähnlichen Kontakten umfaßt, und absorbieren die gesamte Strahlung, die das halbleitende Material von jeder Richtung trifft.
Dünnfilmzellen mit zwei transparenten Kontakten sind in Konagai, et al., "The Effect of Residual Impurity B or P on Photovoltaic Poperties of Amorphous Silicon Solar Cells", l6th IEEE Photovaltaic Specialists Conference, San Diego, September 27-30, 1982, beschrieben, aber nur als ein Experiment, das zweckdienlich ist zum Untersuchen der Erzeugung von Ladungsträgern durch unabhängige Beleuchtung der Zellen, entweder über seine p-Schicht oder seine n- Schicht. Der Artikel schlägt keinen praktischen Gebrauch für eine transparente Zelle vor, und die zwei Seiten der Zellen werden nicht gleichzeitig beleuchtet.
Deswegen ist es in vielen Anwendungen wünschenswert ein kostengünstiges Solarmodul bereitzustellen, das Probleme vermindert, die mit einer Zellpositionierung verbunden sind, und das einen besseren Gebrauch von Licht über das Sonnenspektrum macht.
Diese Problem wird durch ein photovoltaisches Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 gelöst. Weiter Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Ein photovoltaisches Modul gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt: eine Dünnfilin-Halbleiterschicht, die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht und zum Durchlassen einfallenden Lichts an die Halbleiterschicht über einen Bereich des Sonnenspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht und zum optischen Koppeln der Halbleiterschicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Teils des Lichtes zu erlauben, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der Halbleiterschicht absorbiert wird; wobei die zweite Elektrodeneinrichtung äusgebildet ist, um Transmission von infrarotem Licht abzuschwächen und eine geradzahlige Anzahl von Schichten, die zwischen einer stark reflektierenden Metallschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 20 nm und einer Metalloxidschicht mit einer Dicke zwischen 40 und 100 nm abwechseln, einen Brechungsindex von weniger als 1,7 und einen Schwächungskoeffizienten größer als 0,05 über einen Großteil des infraroten Spektrums umfaßt, wobei die oder eine der stark reflektierenden Metallschichten direkt benachbart zu der Halbleiterschicht ist.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Solarmodul, umfassend: eine Dünnschicht- Halbleiterschicht, die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht und zum Durchlassen einfallender Lichts an die Halbleiterschicht über einen Bereich des Sonnenspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht und zum optischen Koppeln der Halbleiterschicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Teils des Lichtes, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der zweiten Halbleiterschicht absorbiert wird zu erlauben; wobei die zweite Elektrodeneinrichtung ausgebildet ist, um Transmissionvon infrarotem Licht abzuschwächen, und eine Dünnfilm-Verbundschicht umfaßt, die in Reihenfolge eine erste transparente leitende Oxidschicht in elektrischem Kontakt mit der Halbleiterschicht; eine erste Barrierenschicht zur chemischen Isolierung; eine zentrale metallische Schicht mit einer Dicke zwischen 5 und 20 nm und vorzugsweise aus Ag besteht, eine zweite Barrierenschicht zur chemischen Isolierung und eine zweite transparente leitende Oxidschicht X hat, wobei die transparenten leitenden Oxidschichten vorzugsweise aus dotiertem Zinkoxid bestehen und eine Dicke zwischen 50 und 150 nm haben, und die Barrierenschichten eine Dicke von nicht mehr als 10 nm haben und vorzugsweise ungefähr 5 nm sind und vorzugsweise aus TiO&sub2; bestehen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Solarmodul, umfassend: eine Dünnfilm-Halbleiterschicht, die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht und zum Durchlassen einfallenden Lichts an die Halbleiterschicht über einen Teil des Solarspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche und der Halbleiterschicht und zum optischen Koppeln der Halbleiterschicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Bereichs des Lichtes, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der zweiten Halbleiterschicht absorbiert wird zu erlauben; wobei die zweiten Elektrodeneinrichtung ausgebildet ist, um Transmission von infrarotem Licht abzuschwächen und einen symmetrischen Stapel umfaßt, der aus einem Paar dotierter Zinkoxidschichten (ZnO) und einer Silberschicht (Ag), mit ZnO-Schichten auf beiden äußeren Oberflächen des Stapels ausgebildet ist, wobei die Silberschicht eine Dicke von 5 bis 20 nm hat, wobei die ZnO- Schichten eine Dicke von 40 - 100 um haben und mit einem Gruppe III Element oder Wasserstoff dotiert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Elektroden hergestellt werden, um die Transmission von Licht durch das Modul zu maximieren, und um selektiv eine Transmission der infraroten Komponente des Lichtes abzuschwächen. Die zuletzt genannte Aufgabe kann durch eine vorsichtige Steuerung der optischen Eigenschaften aller Schichten des Moduls, wie beispielsweise deren Brechungindizes, Durchlässigkeiten, Schwächungskoeffizienten, physikalische Dicken, Oberflächenbeschaffenheiten und Bandlücken, erreicht werden. Gleichzeitig werden die erste Elektrode, die Halbleiterschicht und die zweite Elektrode hergestellt, um eine Transmission von sichtbarem Licht zu maximieren.
Da die Module der vorliegenden Erfindung für Licht eines Teils des Sonnenspektrums transparent sind, können sie an Stelle von herkömmlichem Glas benutzt werden, so daß das durchgelassene Licht einem gesonderten, nicht photovoltaischen Zweck dient. Beispiele für solche Verwendungen umfassen Fenster, Dachfenster und Fahrzeugsonnendächer, in denen es wünschenswert ist, sichtbares Licht ohne die Wärme, die mit infraroter Strahlung verbunden ist, durchzulassen. Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung der Halbleiterschicht und die Brechungscharakteristika ihrer transparenten Elektroden kann angepaßt werden, um die Module an die Ansprüche der Anwendung "anpassen" (tune). Dementsprechend führt das Modul sowohl die photovoltaische Funktion einer Stromerzeugung, sowie die Filterfunktion eines Fensters aus, das eine brechende Beschichtung hat. Da das Modul anstelle von herkömmlichem Glas verwendet wird, sind Anordnung und Lagerung kein Problem und die Kosten des Moduls werden zumindest teilweise durch die alternativen Kosten von Glas mit einer vergleichbaren Beschichtung ausgeglichen.
Die obigen und anderen Kennzeichen der vorliegenden Erfindung können besser von der folgenden Beschreibung, in Zusammenhang mit den begleitenden Abbildungen verstanden werden, in denen gleiche Bezugsziffern sich durchgehend auf ähnliche Elemente beziehen, in denen ist:
Fig. 1 eine allgemeine perspektivische Ansicht eines transparenten photovoltaischen Paneels, wie prinzipiell in US-A-4 461 922 beschrieben, und das in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ist eine teilweise vergrößerte vertikale Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vertikale Teilquerschnittsansicht der Struktur aus Fig. 2 in zusammengesetzter Form;
Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht des Moduls aus Fig. 1, das als Sonnendach eines Autos verwendet wird;
Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht des Moduls aus Fig. 1, das als eine transparente Lukenabdeckung eines Boots verwendet wird;
Fig. 6 ist eine Teilseitenansicht des Moduls aus Fig. 1, das als ein Fenster eines Gebäudes verwendet wird;
Fig. 7 ist eine perspektivische Teilansicht des Moduls aus Fig. 1, das als Dachfenster verwendet wird,
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Brechungsijridizes (n) und Schwächungskoeffizienten (k) von Zinkoxid und Indiumzinnoxid als Funktionen der Wellenlänge des Lichts;
Fig. 9 ist ein graphische Darstellung von relativen Lichttransmissiondaten, die durch Computersimulation einer Dünnfilm-Solarzelle mit Zinkoxidelektroden und einer vergleichbaren mit Intiumzinnoxidelektroden, über das Sonnenspektrum, erzeugt wurde;
Fig. 10 ist eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines Teils eines Verbund-Transparentelektrodenfilms, der gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, und in Kontakt mit einem Teil der Halbleiterschicht des Moduls ist;
Fig. 11 ist eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines Teils eines anderen Verbund- Transparentelektrodenfilms, der gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird, und in Kontakt mit einem Teil der Halbleiterschicht des Moduls ist;
Das transparente photovoltaische Modul der vorliegenden Erfindung, das im allgemeinen in Fig. 1-3 durch die Ziffer 10 dargestellt ist, hat eine Halbleiterschicht 12 mit einer ersten (Front) transparenten Elektrodenanordnung an einer Erontoberfläche 15, und eine zweite (Rück) transparente Elektrodenanordnung 16 an einer Rückoberfläche 17. Das Modul wird in Dünnfilmform auf einem Substrat 18 abgeschieden, das ein geeignetes transparentes Glas oder Plastikmaterial sein kann, so daß das Modul fähig ist einfallendes Licht (hv) von sowohl Oberhalb, als auch Unterhalb des Moduls empfangen zu können. Die photovoltaische Schicht 12 absorbiert einen Teil des Lichtspektrums, daß an sie von jeder der Elektrodenanordnungen geleitet wird, und läßt den Rest durch das Modul hindurch, der etwaigen Filtereigenschaften der entgegengesetzten Elektrodenanordnung unterworfen ist.
Das Modul 10 hat eine Reihe von Anwendungen, einschließlich einem Gebrauch anstelle von Fensterglasscheiben, die eine reflektierende Beschichtung haben. Beispiele sind in Figuren 4-7 dargestellt, in denen das Modul die Form eines Autosonnendachs, einer Bootluke, eines Fensters eines Bürogebäudes bzw. eines Dachfenster hat. Solch Anwendungen benötigen typischerweise, daß die Infrarotkomponente des einfallenden Lichtes von der Scheibe herausgefiltert wird, während einem Großteil der sichtbaren Komponente ermöglicht wird hindurchzutreten.
Ein Schlüsselkennzeichen des Moduls 10 ist seine Fähigkeit eingestellt zu werden, um auswählbar Licht in verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums durchzulassen oder zu filtern, je nach Anwendung. Die beiden Elektrodenanordnungen und die Halbleiterschicht können eingestellt werden, um nahezu die gesainte unerwünschte Infrarotkomponente in den Anwendungen der Fig. 4-7 herauszufiltern.
Ein Rarameter mit einer bedeutenden Auswirkung auf Transmission von infrarotem Licht ist der Brechungsindex der Modulschichten, und insbesondere der Index der Rückelektrodenanordnung, von der Licht an die Umgebungsluft entweichen muß, falls es von dem Modul durchgelassen werden soll. Jedoch variiert der Brechungsindex eines transparenten Leiters oft weit über das Sonnenspektrum. Dieses pHänomen ist graphisch in Fig. 8 dargestellt, in der die obere Linie 20 den Brechungsindex von im wesentlichen purem Zinkoxid (keine Zusätze zugeführt) über das Sonnenspektrum darstellt, und die niedrigere Linie 22 den Brechungsindex von im wesentlichen purem Indiumzinnoxid darstellt. Dahingegen beträgt der Index von Zinkoxid über das gesamte Sonnenspektrum ungefähr 1,7 oder mehr, der Index von Indiumzinnoxid fällt drastisch im Infrarotbereich (Wellenlängen von 0,7 µm und darüber) ab. Es ist schwer für Infrarotstrahlung nach Außen von der Rückelektrodenanordnung bei einem Brechungsindex unter ungefähr 1,7 µm zu entweichen, was die Infrarottransmission des Moduls reduziert. Somit filtert ein Modul, das einen Dünnfilm aus im wesentlichen Indiumzinnoxid oder einem ähnlichen transparenten Material wie eine seiner Elektroden hat, wirksam viel von der infraroten Komponente des einfallenden Lichts heraus. Dies ist insbesondere der Fall wenn das Material mit niedrigem Index für die Rückelektrode verwendet wird, von der Licht nach Außen an die umgebende Atmosphäre entweicht.
Das Dünnfilm-Photomodul der vorliegenden Erfindung kann aus monolitischem Material aufgebaut werden, umfassend Solarzellen, die in verschiedenen Weisen miteinander verbunden sind und durch verschiedene Prozeßtechniken abgeschieden werden, von denen das Modul 10 eine bevorzugte Ausführungsform ist. Es sei natürlich zu verstehen, daß die folgende Beschreibung nur anhand eines Beispiels, und ohne Limitierung gegeben ist.
Bezieht man sich nun insbesondere auf Fig. 1, definiert das Modul 10, das gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, eine Mehrzahl von länglichen Solarzellen 30, die elektrisch in Reihe zwischen einem Paar von externen Leitungen 32-32' verbunden sind. Die Zellen sind als schmale Streifen ausgebildet, die entlang entgegengesetzter Längsränder verbunden sind, um Serienwiderstandsverluste zu minimieren. Eine Verbindung zwischen Zellen wird durch einen umstrukturierten aktiven Film des Sonnenpaneels hergestellt, ohne den Film zu unterbrechen. Ein durch die Zellen in Reaktion auf einfallendes Licht (hv) erzeugter Strom pflanzt sich eine sehr kurze Distanz innerhalb jeder Zellenelektrode fort, bevor er an die entgegengesetzte Elektrode einer benachbarten Zelle gelangt.
Nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt die Elektrodenanordnung 16 eine Mehrzahl von Rückelektrodenabschnitten 34, die aus einer transparenten leitenden Schicht 35 ausgebildet sind, die durch einen nicht leitenden Zwischenraum 36 getrennt sind und angeordnet sind, um im wesentlichen längliche photovoltaische Bereiche des Dünnfilms zu überziehen. Die Frontelektrodenanordnung 14 umfaßt eine transparente leitende Schicht 38 und eine Reihe von verstärkten Kontaktabschnitten oder "Stechstäben" (stitch bars) 40. Die Schicht 38 ist strukturiert um eine Mehrzahl von transparenten Elektrodenabschnitten 42 zu bilden, die durch Zwischenräume 44 getrennt sind und im wesentlichen unter den entsprechenden photovoltaischen Bereichen liegen. Die photovoltaischen Bereiche sind somit wirksam zwischen den Rückelektrodenbereichen 34 und den Frontelektrodenbereichen 42, zum Sammeln von Strom, der innerhalb der Bereiche erzeugt wird, eingeschlossen. Zusätzlich überlappt jeder Frontelektrodenbereioh teilweise den Rückelektrodenbereich eines benachbarten photovoltaischen Bereichs über ein vorausgewähltes Gebiet 46.
Ein Hauptkennzeichen dieser Konstruktion ist die Bereitstellung von leitenden Bahnen, die im wesentlichen quer durch den aktiven Dünnfilm 12 zwischen jedem Frontelektrodenbereich und dem Rückelektrodenbereich eines benachbarten photovoltaischen Bereichs verlaufen. Eine Verbindung wird an dem Elektrodenüberlappungsgebiet hergestellt, um die photovoltaischen Bereiche elektrisch in Reihe zu verbinden, ohne Strukturierung oder einer anderweitigen Unterbrechung des Films.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Stichstäbe 40 lang genug und schmal genug, im Vergleich zu dem Dünnfilm 12, um elektrisch durch den Film kurzzuschließen. Die endgültige Konfiguration des Solarmoduls 10 ist am besten in Fig. 3 dargestellt, in der die Stichstäbe den anschließend aufgetragenen Film 12 veranlassen in einer Weise beeinträchtigt zu werden die relativen dünnen Bereiche 48 zu erzeugen, die nicht in der Lage sind der Zellspannung auszuhalten. Es ist vorteilhaft daß die Stichstäbe an ihren oberen Oberflächen so rauh wie möglich sind, um das angelegte elektrische Feld zu focusieren und den Widerstand der Bereiche 48 weiter zu reduzieren.
Die Stichstäbe 40 sind vorzugsweise ungefähr 25 um dick und der Halbleiterdünnfilm 12 und die strukturierten transparenten leitenden Schichten 35 und 38 sind jeweils ungefähr 500 nin (5000 Angström) dick. An den Positionen der Stichstäbe 40 ist der Film 12 zwischen einem Paar leitender Elemente eingeklemmt, und die Stichstäbe 40 sind mindestens zweimal dicker als der dickste Bereich des Films 12. Dies erzeugt einen wirksamen Kurzschluß durch den Film in dem Gebiet von jedem Stichstab, aber schließt die Zellen 30 nicht kurz, da der Film 12 einen sehr hohen Schichtwiderstand hat. Der Schichtwiderstand eliminiert praktisch Strom innerhalb der Filmebene, was im wesentlichen nur Querströme übrig läßt, die innerhalb der photovoltaischen Bereiche erzeugt werden und zwischen den Elektroden im Überlappungsbereich vorbei laufen.
Unter detaillierterer Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 werden die verschiedenen Schichten und Elektrodenbereiche des Paneels 10 aufeinanderfolgend auf einer Hauptoberfläche 50 des Substrats 18 abgeschieden. Das Substrat ist vorzugsweise Glas oder ein anderes geeignetes transparentes Material, das mit den Materialien der Stichstäbe 40 und der transparenten leitenden Schicht 38 verträglich ist. Die Stichstäbe können entweder vor oder nach der transparenten leitenden Schicht auf das Substrat aufgetragen werden, durch Siebdruckverfahren, Galvanisierung, Verdampfung durch eine Maske, oder durch andere wohlbekannte Techniken auf dem Gebiet. Das Material der Stichstäbe kann Silber, Aluminium, Nickel oder anderes Material sein, das einen hochqualitativen Kontakt liefert.
Obwohl die Stichstäbe 40 als Gitterlinien oder Gitterlinienabschnitte dargestellt sind, die durch das vorher ausgewählte Elektrodenüberlappungsgebiet 46 hindurchtreten, ist es nicht notwendig, daß sie kontinuierlich oder daß sie überhaupt linienförmig sind. Wenn die Stichstäbe mit einem Siebdruckverfahren hergestellt werden, sollten sie mindestens ungefähr 25 umhoch sein, um zufriedenstellend zu arbeiten. Falls aufgedampft, sollten sie mindestens 2 Mikron und vorzugsweise 10 um hoch sein. In jedem Fall sind das Längenverhältnis (Höhe geteilt durch Breite) und die Rauhigkeit der Stichstäbe die Parameter, die für den lokalisierten Kurzschluß verantwortlich sind, der dem Paneel 60 erlaubt zu funktionieren.
Die transparente leitende (TC) Schicht 38 wird im ersten Fall vorzugsweise als eine kontinuierliche Schicht abgeschieden. ITO kann zum Beispiel bei ungefähr 300 Grad Celsius durch Vakuumverdampfung von Indium und Zinn in einer Sauerstoffatmosphäre mit Glimmentladungsunterstützung abgeschieden werden. Die Glimmentladung aktiviert den Sauerstoff, um einen hochqualitativen Film zu erzeugen. Nach der Abscheidung wird die transparente leitende Schicht 38 unter Verwendung herkömmlicher Techniken, wie beispielsweise Laserschreiben, strukturiert. In dem Fall des Paneels 10 bringt der Strukturierungsvorgang ein entfernen der transparenten leitenden Schicht entlang einer Reihe von parallelen Linien nahe den Stichstäben 40 mit sich, was Frontelektrodenabschnitte 42 hervorbringt, die durch Zwischenraum 44 getrennt sind. Die Frontelektrodenabschnitte sind somit als parallele Streifen ausgebildet, die im allgemeinen flächenmäßig den Zellen 30 der Fig. 1 entspricht. Jedoch müssen die Frontelektrodenabschnitte 42 und die Zellen 30 nicht als Streifen ausgebildet werden, solange wie jeder Frontelektrodenabschnitt mit einem Verbindungsabschnitt 52 ausgestattet ist, der einen Teil des Rückelektrodenabschnitts eines benachbarten photovoltaischen Bereichs überlappt Obwohl die Schicht 38 entweder vor oder nach den Stichstäben 40 aufgetragen werden kann, wird sie vorzugsweise nicht strukturiert bis nach einer Auftragung der Stichstäbe. Die Stichstäbe 40 agieren dann als eine Führung zum Strukturieren der Schicht 38.
Die Dicke der transparenten leitenden Schicht 38 wird ausgewählt, um Reflektion von der Rückoberfläche der Schicht und Absorption von Licht durch sie zu minimieren. Gemäß geltender optischer Prinzipien werden interne Reflektionsverlußte innerhalb des transparenten Körpers minimiert, wenn die Dicke des Körpers ein ungeradzahliges vielfaches einer viertel Wellenlänge des einfallenden Lichts für den Fall ist, in dem Licht sich von einem Material mit niedrigem Brechungsindex zu einem Material mit hohem Brechungsindex fortpflanzt. Für vorliegende Zwecke ist die relevante Wellenlänge die des Maximums der spektralen Empfindlichkeit des photovoltaischen Materials, das den Film 12 bildet. Die TC Schicht wird auch ausgewählt, um thermisch mit der Schicht 12 verträglich zu sein.
Wie zuvor erwähnt kann der Dünnfilm 12 irgendein geeignetes photovoltaisches Material enthalten, das einen Photokontakt zum Umwandeln von Licht in elektrische Energie definiert. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Film 12 eine Dünnfilm-Siliciumwasserstofflegierung (TFS) mit n&spplus;, i und p&spplus;- Schichten 54, 56 bzw. 58, wie in Fig. 2 dargestellt. In dem Fall von TFS wird der Film 12 durch herkömmliche Glühentladungstechniken abgeschieden, ohne Strukturierung oder Abdeckung. Der Film 12 erstreckt sich kontinuierlich und vollständig über die Stichstäbe 40, die transparente leitende Schicht 38 und den Zwischenraum 44. Die Dicke des TFS-Films 12 liegt, vollständig mit allen drei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen, zwischen ungefähr 100 und 1000 nin (1000 und 10000 Angström). Die Dicke des TFS's hängt in einer besonderen Anwendung von dem speziell verwendeten Material und von dem gewünschten Lichtdurchlässigkeitspegel in dem sichtbaren Bereich ab.
Die Rückelektrodenanordnung 16 dient als Rückkontakt der Zelle 30 und ist vorzugsweise eine TC-Schicht, die durch befolgen der gleichen oben beschriebenen Parameter ausgebildet wird. Jedoch kann das Material an der Rückelektrodenanordnung wie verlangt verschieden sein, um den Filteranforderungen einer besonderen Anwendung zu genügen.
Obwohl ein Kurzschluß durch den Film 12 unter vielen Umständen mit der zuvor beschriebenen Struktur erreicht werden kann, ist es manchmal wünschenswert eine lokalisierte Leitung durch den Dünnfilm 12 durch Wärmeeinwirkung auf das Sonnenpaneel 10 zu erhöhen. Es ist gewöhnlicherweise wünschenswert Wärme nur an lokalisierten Bereichen innerhalb der vorher ausgewählten Überlappungsbereiche 46 einwirken zu lassen, durch Ausrichten eines Laserstrahls 60 oder einer anderen geeigneten Quelle von lokalisierter Wärme auf das Modul. In dem Fall, in dem die Strichstäbe 40 relativ hoch, schmal und rauh sind, kann solch ein Erwärmen ein Auflösen des Rückelektrodenmaterials und möglicherweise dem Material der Strichstäbe 40, durch die Dicke des Halbleiterfilms 12, verursachen. Der resultierende Verbundbereich 62 ist weit stärker leitend, als der Körper des Films und verstärkt die Verbindung der Zellen.
Durch aufbauen des monolitischen Moduls 10 durch Abscheiden auf dem Substrat 18 wird eine Schicht aus transparentem leitendem Material (TC) auf dem Substrat 18, und anschließend auf der Halbleiterschicht 12 nachdem sie auf der ersten Schicht 38 abgeschieden wird, abgeschieden. Die TC-Schicht, die auf beiden Seiten der monolitischen Schicht 12 gefunden wird, kann aus irgendeinem transparenten leitenden Material ausgebildet werden, das auf dem Gebiet bekannt ist und optische, elektrische und mechanischen Eigenschaften hat, die mit dem gerade verwendeten Halbleitermaterial verträglich sind. Zum Beispiel können Indium-Zinn-Oxid (ITO), Zinnoxid (TO), Indiumoxid (IO), Zinkoxid (ZnO) oder andere ähnliche Materialien, die auf dem Gebiet wohl bekannt sind, verwendet werden.
Durch Auswählen und Zuschneiden der Eigenschaften der TC- Schichten können die Spannungen und Optiken des Systems in Übereinstimmung mit den speziellen Halbleitermaterialien und der speziellen Anwendung, für die das Modul vorgesehen ist, zugeschnitten werden. Ausgleichsanpassungen und eine Aufnahme von Zusätzen sind in dieser Hinsicht nützlich. Ein anderer Faktor beim Auswählen einer besonderen TC-Schicht ist, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem des monolitischen Dünnfilms verträglich sein soll. Dies bewahrt den Film vor einer Belastung während eines Aufwärmens durch Absorption des Sonnenlichts. Wahrscheinlich das wichtigste, durch Auswählen des passenden Brechungsindex, Auslöschkoeffizienten, Dicke, Leitfähigkeit und Bandlücke der TC-Schicht kann man die effektiven Filtercharakteristika der TC-Schicht kontrollieren; d. h. zum Reflektieren des gesamten oder einen Teil des Sonnenspektrums, oder um ihm zu erlauben durch die TC-Schicht hindurchzutreten.
Das Zuschneiden oder "Anpassen" der verschiedenen Schichten des Moduls 10 für eine besondere Anwendung kann am besten anhand eines Beispiels verstanden werden. Bezugnehmend auf Fig. 4-7 sind die gezeigten Ausführungsformen dahingehend ähnlich, daß jede sichtbares Licht an das Innere einer assoziierten Struktur durchläßt, während Infrarotlicht herausgefiltert wird. Das Modul 70 der Fig. 4 ist als ein teilweise transparentes Sonnendach eines Autos 72 aufgebaut, das sichtbares Licht in das Jnnere des Autos hineinläßt, aber das infrarote herausfiltert. Dies gibt dem Insassen ein Offen-Gefühl, ohne ihn oder sie der Hitze von gewöhnlichem Sonnenlicht auszusetzen. Gleichzeitig wird elektrische Energie erzeugt, um Zubehör zu betreiben oder eine Erhaltungsladung einer Batterie durchzuführen, die benötigt wird um den Speicher eines Bordcomputers aufrechtzuerhalten. Wenn es gewünscht wird Licht von dem gesamten Sonnenspektrum einzuführen, kann das Sonnendach entfernt oder zurückgeschoben werden, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist, abhängend von seinem Design. Fig. 5 stellt ein ähnliches Modul 74 dar, das als eine teilweise transparente Luke eines Segelboots 76 aufgebaut ist, und Fig. 6 und 7 stellen Fenstermodule 78 eines Gebäudes 80 bzw. ein Dachlukenmodul 82 einer Wohnung 84 dar.
In jedem Fall erzeugen die Module 70, 72, 78 und 82 gemäß der photovoltaischen Prinzipien Elektrizität, während nützliches sichtbares Licht durchgelassen wird und Infrarotlicht gefiltert wird, um ein isolieren einer Struktur zu unterstützen.
In den Ausführungsformen der Fig. 4 - 7 verlangt das Ziel eines Durchlassens von im wesentlichen sichtbarem Licht, daß die Halbleiterschicht 12 dünn ist, und daß die Elektrodenanordnungen 14 und 16 für sichtbares Licht transparent sind. Gleichzeitig muß der Infrarotanteil des Spektrums auswählbar von der einfallenden Strahlung entkoppelt werden. Dies wird am einfachsten erreicht durch Ausbilden der Rückelektrode aus einem Material mit einem Brechungsindex unter ungefähr 1,7 und einem Schwächungskoeffizienten über einen Großteil des Infrarotbereichs von mindestens 0,05. Materialien, die für diesen Zweck geeignet sind, werden typischerweise Schwächungskoeffizienten haben, die von ungefähr Null bis zu einem Maximum in der Höhe von 0,4 in dem Infrarotbereich variieren. Wenn die Rückelektrode den angegebenen Brechungsindex und Schwächungskoeffizienten hat, wird ein wesentlicher Anteil des durch die Halbleiterschicht durchgelassenen Infrarotlichtes blockiert. Das meistedavon wird intern durch die äußere Oberfläche der Elektrode reflektiert, und durch die Halbleiterschicht zurück übertragen.
Erheblich reines ITO hat die oben beschriebenen Charakteristika, wie in der Darstellung der Fig. 8 gezeigt. Somit nimmt der Brechungsindex (n) von ITO bei Wellenlängen über 0,7 µm kontinuierlich von ungefähr 1,7 auf weniger als 1,0 ab, während der Schwächungskoeffizient (k) von ungefähr 0,02 auf mehr als 0,2 innerhalb des gleichen Bereichs ansteigt. Der Schwächungskoeffizient von ITO übersteigt tatsächlich 0,05 bei allen Wellenlängen oberhalb von ungefähr 0,9 µm. Somit ist ITO ein Hauptkandidat zum selektiven Abschwächen einer Infrarotlichttransmission durch das Modul der vorliegenden Erfindung.
Das Verhalten eines siliciumbasierten Dünnfilm-Solarmoduls, das dem zuvor beschriebenen Modul 10 ähnlich ist, ist auf einem Computer modelliert worden. Das Model hat eine ZnO- Schicht als Frontelektrode (lichteinfallende Seite) und eine ITO-Schicht als Rückelektrode (durchlassende Seite), und wurde mit Glas auf beiden Seiten verkleidet. Sowohl die Front- als auch die Rückelektroden des Models waren 356 nm (3560 Angström) dick, wobei die Dicke basierend auf den bekannten optischen Konstanten des Materials und den elektrischen Anforderungen, um diese als Strom sammelnde Elektroden zu verwenden, ausgewählt wurde. Es wurde angenommen, daß die halbleitende Schicht 12 eine homogene Schicht von 300 nm (3000 Angström) Dicke einer Dünnfilm- Silicumwasserstofflegierung mit einer Bandlücke von 1,72 (E&sub0;) ist. Für Zwecke des Models wurde angenommen, daß die n und p-Schichten des halbleitenden Materials die gleichen optischen Eigenschaften haben wie die i-Schicht. Dies ist gerechtfertigt, da die n und p-Schichten dünn, und ihre optischen Beiträge klein sind, was nicht mehr als eine kleine Störung in der Lichttransmission beiträgt. Wie in dem Fall irgendeines gemäß der Lehre der vorliegehden Erfindung entworfenen transparenten Moduls sind die Dicken aller Schichten des Modells festgelegt worden durch Abwägen der Einbußen zwischen gewünschter elektrischer und optischer Funktion des Moduls. Somit werden Module, die im Hinblick auf verschiedene Kriterien entworfen werden, typischerweise Schichtdimensionen haben, die von denen des Modells verschieden sind, aber die Dimensionen würden durch eine ähnliche Funktionssanalyse erhalten werden.
Die durch das Model vorhergesagten Durchlässigkeitscharakteristika sind durch die niedrigere Kurve 84 in Fig. 9 dargestellt, in dem Durchlässigkeit des Moduls in dem Infrarotbereich (Wellenlänge von 0,7 µm und darüber) abgeschwächt wird. Durchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich 0,8 bis 1,1 µm beträgt ungefähr 50 Prozent, während die oberhalb von 1,1 um schnell auf ungefähr loprozent abfällt. Vergleichend sind die Ergebnisse eines ähnlichen Modells eines Moduls mit einem Elektrodenpaar aus im wesentlichen purem ZnO durch die Kurve 88 dargestellt, was eine deutlich höhere Durchlässigkeit von infrarotem Licht (80 bis 10 Prozent zwischen 0,8 und 1,2 µm) zeigt. Wenn erwünscht kann die Infrarotdurchlässigkeit des Moduls miüjto-Elektroden sogar weiter reduziert werden, durch Modifikation des Elektrodenmaterials. Techniken, die einen Anstieg der Leitfähigkeit von ITO erzeugen, tendieren eine entsprechende Abnahme seines Brechungsindex zu erzeugen. Jedoch schwächt dies sowohl die sichtbare Durchlässigkeit als auch die Infrarotdurchlässigkeit des Materials ab, und muß vorsichtig gesteuert werden.
TO ist auch als Front- oder Rückelektrodenmaterial in den Ausführungsformen der Fig. 4 - 7 nützlich, weil es einen Brechungsindex von ungefähr 1,9 hat. Ahnlich wie ITO kann der Brechungsindex von TO durch hinzufügen von Flur oder Antimon verringert werden, um die Zellen zum Herausfiltern eines nicht gewünschten Anteils des Sonnenspektrums anzupassen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung dienen geeignete Dünnfilmzusammensetzungen aus stark reflektierenden Metallen und Metalloxiden, die in symmetrischen Stapeln geschichtet werden, als eine oder beide der transparenten Elektroden des Moduls 10. Solche Materialien sind leitend, etwas transparent und reflektieren selektiv Infrarotlicht. Eine bevorzugte Form solch einer Zusammensetzung ist ein Zinkoxyd (ZnO)/Silber (Ag) Stapel mit einer Gesamtdicke von ungefähr 50 bis 200 nm (500-2000 Angström) mit ZnO-Filmen auf beiden äußeren Oberflächen des Stapels. Zum Beispiel kann der Stapel eine ZnO-Schichtenpaar von ungefähr 40 - 100 nm (400 bis 1000 Angström) Dicke auf jeder Seite einer 5 - 20 nm (50 - 200 Angström) Silberschicht umfassen. Das Zinkoxid, das in Kontakt mit dem Halbleiter ist, muß elektrisch leitend sein, um Kontakte mit niedrigem Widerstand zu ermöglichen. Elektrische Leitfähigkeit von ZnO kann für diesen Zweck durch Hinzufügen von Gruppe III-Elementen oder Wasserstoff erhöht werden.
Die Herstellung und der Gebrauch solcher Zusammensetzungen sind in näheren Einzelheiten in Fan, et al., "Transparent Heat Mirrors For Solar Energy Applications", Applied Optics, 15-4, Seiten 1012-1017 (1976) beschrieben. Der Artikel von Fan, et al. beschreibt den Gebrauch solcher Zusammensetzungen als selektive Lichtabsorber, schlägt aber nicht einen Gebrauch als eine transparente leitende Elektrode einer Solarzelle vor.
Die Lichtdurchlässigkeit eines Verbundstapels des zuvor beschriebenen Typs kann über das Sonnenspektrum durch Wahl von geeigneten Materialien und Dicken der Metall und Metalloxidschichten gesteuert werden.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine geeignete Elektrode durch Abscheiden der ersten metallischen Schicht auf dem zuvor beschriebenen Stapel, der in Kontakt mit der halbleitenden Schicht ist, hergestellt werden, wobei auf die erste Metalloxidschicht und auf die Schritte verzichtet wird, die benötigt werden um sie abzuscheiden. Die verbleibenden Schichten sind dann unverändert. Ein Zweischichtstapel, der dieses Konzept ausführt, ist bei 132 in Fig. 10 dargestellt, in der die Schicht, die der halbleitenden Schicht 12 direkt benachbart ist, eine dünne metallische Schicht 134 ist. Das Metall kann Aluminium sein, obwohl Silber bevorzugt wird wegen seinen hervorragenden optischen Eigenschaften in dem Kurzwellenlängenbereich. Die Dicke der Metallschicht liegt typischerweise zwischen 5 und 20 nm (50 und 200 Angström). Die nächste Schicht ist eine Metalloxidschicht 136, die sich ähnlich zusammensetzt wie die Oxidschichten des oben diskutierten Verbundstapels, und optische Eigenschaften hat, die ausgewählt sind zum Anpassen der Lichtdurchlässigkeit der Zelle. Somit kann die Schicht 136 aus ITO sein, die einen Brechungsindex kleiner als 1,7 und einen Schwächungskoeffizienten größer als 0,05 über einen Großteil des Infrarotspektrums hat, wenn gewünscht wird einen großen Anteil des Infrarotlichts herauszufiltern. In diesem Fall würde die Dicke der Schicht typischerweise zwischen 40 und 100 nm (400 und 1000 Angström) sein. In solchen Zweischichtstapeln dient die halbleitende Schicht als ein wesentlicher Teil des optischen Elektrodenelements und als Material, das Photostrom erzeugt.
Die Zweischichtanordnung 132 der Fig. 10 kann ein paar mal zum Erhöhen der Leitfähigkeit wiederholt werden. Mit angemessener Auswahl an Schichtmaterialien und Dicken muß die Lichtransmission nicht wesentlich reduziert werden. Für maximale Durchlässigkeit wird bevorzugt, daß jede Oxidschicht eine ganze Zahl halber Wellenlängen dick ist.
Ein Dünnfilmverbund in Übereinstimmung mit nach einem weiteren Aspekt der Erfindung und geeignet zum Gebrauch als eine transparente Elektrode des Moduls 10, ist bei 110 in Fig. 11 gezeigt. Der Stapel 110 ist in elektrischem Kontakt mit einer Oberfläche der halbleitenden Schicht 12, um Licht dazwischen hindurch zu lassen, und ist vorzugsweise symmetrisch zu einer dünnen zentralen Silberschicht 112 oder anderen geeigneten Metallen von ungefähr 5 - 20 um (50 bis 200 Angström) Dicke. Wenn die halbleitende Schicht 12 eine Silicium enthaltende Dünnfilmschicht ist, wird die Silberschicht chemisch von ihr durch eine TiO&sub2;-Schichtenpaar 114 isoliert, das ungefähr 5 nm (50 Angström) dick ist und als Barriere für Fusion und Oxidation des Silbers zu dienen. Die Kombination der Silber und TiO&sub2;-Schichten wird zwischen einem Paar relativ dicker transparenten leitenden (TC) Schichten 116 eingeklemmt. Die TC-Schichten 116 können aus ZnO, ITO, TO oder einem anderen Material mit geeigneter Leitfähigkeit, Durchlässigkeit, Brechungsindex und Auslöschkoeffizienten hergestellt werden, und das mit dem Silicium beinhaltenden Material der halbleitenden Schicht 12 verträglich ist. Die bevorzugte Dicke der TC-Schichten 116 ist ungefähr 90 nm (900 Angström) im Fall von ZnO oder ITO, kann aber zwischen ungefähr 50 und 200 nm (500 und 2000 Angström) variieren. Die Leitfähigkeit, Dicke und Brechungsindex des Materials wird natürlich zum Optimieren einer Zellausgabe und zum selektiven Durchlassen von Licht innerhalb eines vorher ausgewählten Wellenlängenbereichs ausgewählt. Jedoch werden die zuvor beschriebenen zusammengesetzten Strukturen Infrarotlicht immer zu einem gewissen Grad reflektieren.
In irgendeiner der zuvor diskutierten Verbundstrukturen müssen die Schichten, die benachbart zu der halbleitenden Schicht 12 sind, einen guten elektrischen Kontakt mit der halbleitenden Schicht machen, wenn die Zelle funktionieren soll. Wenn die am nahesten liegende Schicht ZnO oder ITO ist, muß ihre Leitfähigkeit relativ hoch sein, um einen guten Kontakt mit den auf Silicium basierenden Dünnfilmmaterialien herzustellen. In dem Fall von ZnO wird dies durch hinzuführen von Bor, Aluminium oder einem anderen geeigneten Zusatz getan.
Andere Parameter, die wichtig für einen zufriedenstellenden Betrieb der Ausführungsformen der Fig. 4 - 7 sind, sind die Dicke und Aufbau der halbleitenden Schicht 12. In dem Fall von Dünnfilmsilicium (TFS) mit einer durchschnittlichen Bandlücke von mindestens ungefähr 1,7, kann die Dicke irgendwo zwischen ungefähr 100 und 1000 nm (1000 Angström und 10000 Angström) sein, wobei die Durchlässigkeit von sichtbarem Licht deutlich kleiner für Dicken oberhalb 500 nin (5000 Angström) ist. Der bevorzugte Dickenbereich einer auf Silicium basierenden halbleitenden Dünnfilmschicht ist für diese Zwecke 200 - 500 nm (2000 bis 5000 Angström), und es wird angenommen, daß die optimale Dicke ungefähr 350 nm (3500 Angström) ist. Bei dieser Dicke läßt das Material einen wesentlichen Betrag des sichtbaren Lichts hindurch, während ein geeignetes elektrisches Feld innerhalb des photoleitenden Bereiches aufrecht erhalten wird.
Die Leitfähigkeit von ZnO kann erhöht und sein Brechungsindex erniedrigt werden, durch Einschluß von geeigneten Zusätzen, wie beispielsweise Bor, Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium. Somit können die relevanten Durchlässigkeitseigenschaften der Zelle eingepaßt werden durch gesteuertes Hinzufügung der aufgelisteten Elemente zu dem ZnO Elektrodenmaterial. Zusätzlich hat ZnO eine niedrigere optische Absorptionskante als TO, was es veranlaßt ein wenig des blauen Lichts herauszufiltern.
Eine Reihe unterschiedlicher Materialien kann für die Frontund/oder Rückkontakte der Module verwendet werden, wobei einige sogar höhere Brechungsindices über das Sonnenspektrum haben, als Zinkoxid. Ein solches Material ist Kadmiumsulfid (CdS), das einen Brechungsindex von ungefähr 2,1 bis 2,5 hat. Wenn jedoch CdS im Verbindung mit einer halbleitenden Schicht aus einem auf Silicium basierendem Dünnfilmmaterial verwendet wird, ist es erforderlich das CdS mit Indium (In) oder einem anderen geeigneten Material zu dotieren, um seine Leitfähigkeit auf den Punkt zu erhöhen, bei dem es einen guten elektrischen Kontakt mit Silicium macht.
Da die Verwendung von eintreffender Strahlung zur Erzeugung von Elektrizität insbesondere in der Ausführungsform der Fig. 11 wichtig ist, ist es in den meisten Fällen wünschenswert die Dicke der halbleitenden Schicht bei ungefähr 500 nm (5000 Angström) oder mehr zu halten. Jedoch ist Dicke nur ein von vielen Faktoren, die die Betriebscharakteristika der Vorrichtung bestimmen, und muß mit den anderen Faktoren abgewogen werden, um zu einer bevorzugte Anordnung zu gelangen. Praktische Vorrichtungen können bei Dicken von 100 1000 nm (1000 bis 10000 Angström) oder mehr erhalten werden.
Wenn die Halbleiterschicht 12 vom p-i-n-Typ ist, ist der p- Typbereich typischerweise eine "Fensterschicht", die eine genügend große Bandlücke hat, um für eintreffendes Licht transparent zu sein. Dementsprechend tritt nahezu das gesamte Licht des relevanten Wellenlängenbereichs durch die p-Schicht zur Absorption durch die i-Schicht hindurch. In solchen Zellen ist es für die n-Schicht auch nicht nötig eine Fensterschicht zu sein. Jedoch ist die Durchlässigkeit der n-Schicht wesentlich, da jegliche Absorption in der n- Schicht durchgelassenes Licht reduziert, ohne zu dem photovoltaischen Effekt beizutragen. Um in geeigneter Weise für diese Zwecke transparent zu sein, sollte eine Dünnfilm Siliciumtyp n-Schicht eine Bandlücke von mindestens ungefähr 1,85 Elektronenvolt haben. Solch eine Bandlücke kann durch Aufnahme von Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Zusatz innerhalb der n-Schicht erhalten werden.
Von dem obigen geht hervor, daß ein freistehendes transparentes Solarmodul vorgesehen worden ist, das auf beiden Seiten beleuchtet werden kann und in seinen lichtdurchlassenden Eigenschaften über das Sonnenspektrum angepaßt werden kann, um eine große Vielzahl an Funktionen durchzuführen. Die steuerbare Durchsichtigkeit des Moduls ermöglicht, daß es für Glas in herkömmlichen Anwendungen oder zum Gebrauch in Verbindung mit anderen Energiesystemen geeignet ist, um die Auffälligkeit und Raumbedarf, der gewöhnlicherweise mit Solarmodulen verbunden ist, zu reduzieren.
Während bestimmte spezifische Ausführungsformen der Erfindung als typisch offenbart worden sind, ist die Erfindung nicht auf diese besonderen Formen limitiert, sondern ist viel mehr weit anwendbar auf all solche Variationen, die innerhalb des Bereichs der anhängenden Ansprüche fallen. Beispielsweise braucht das photovoltaische Modul der vorliegendenerfindung keine auf Silicium basierende halbleitende Schicht zu haben, sondern kann vielmehr irgendein bekanntes photovoltaisches Material enthalten, für das geeignete Kontaktmaterialien existieren. Die Zusammensetzungen, Dicken und Bearbeitung der halbleitenden Schicht und der transparenten Elektroden müssen dann für das Material angepaßt werden.

Claims

1. Ein photovoltaisches Modul (10), umfassend eine Dünnfilm Halbleiterschicht (12), die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum Durchlassen einfallenden Lichtes an die halbleitende Schicht über einen Bereich des Sonnenspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen (132) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum optischen Koppeln der halbleitenden Schicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Bereichs des Lichtes, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der halbleitenden Schicht (12) absorbiert wird zu erlauben; wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (132) ausgebildet ist, um Transmission von infrarotem Licht abzuschwächen und eine geradzahlige Anzahl von Schichten, die zwischen einer stark reflektierenden Metallschicht (134) mit einer Dicke zwischen 5 und 20 um und einer Metalloxidschicht (136) mit einer Dicke zwischen 40 und 100 nin abwechseln, einen Brechungsindex von weniger als 1,7 und einen Schwächungskoeffizienten größer als 0,05 über einen Großteil des Infrarotspektrums umfaßt, wobei die oder eine der stark reflektierenden Metallschichten (134) direkt benachbart zu der halbleitenden Schicht (12) ist.

2. Ein photovoltaisches Modul (10), umfassend eine Dünnfilm- Halbleiterschicht (12), die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum Durchlassen einfallenden Lichts an die halbleitende Schicht über einen Bereich des Sonnenspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen (110) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum optischen Koppeln der halbleitenden Schicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Bereichs des Lichtes, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der halbleitende Schicht (12) absorbiert wird zu erlauben; wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (110) ausgebildet ist, um Transmission von infrarotem Licht abzuschwächen und eine Dünnfilm-Verbundschicht umfaßt, die in Reihenfolge eine erste transparente leitende Oxidschicht (116) in elektrischem Kontakt mit der Halbleiterschicht (12); eine erste Barrierenschicht (114) zur chemischen Isolierung; eine zentrale metallische Schicht (112) mit einer Dicke zwischen 5 und 20 nm und vorzugsweise aus Ag besteht, eine zweite Barrierenschicht (114) zur chemischen Isolierung und eine zweite transparente leitende Oxidschicht (116) hat, wobei die transparenten leitenden Oxidschichten vorzugsweise aus dotiertem Zinkoxid bestehen und eine Dicke zwischen 50 und 150 nm haben, und wobei die Barrierenschichten eine Dicke von nicht mehr als 10 nm haben und vorzugsweise ungefähr 5 nm sind und vorzugsweise aus TiO&sub2; bestehen.

3. Ein photovoltaisches Modul (10), umfassend eine Dünnfilm- Halbleiterschicht (12), die mindestens einen photovoltaischen Bereich umfaßt und erste und zweite in entgegengesetzte Richtung weisende Hauptoberflächen hat; erste transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum Durchlassen einfallenden Lichts an die halbleitende Schicht über einen Bereich des Sonnenspektrums; und zweite transparente Elektrodeneinrichtungen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Oberfläche der halbleitenden Schicht (12) und zum optischen Koppeln der halbleitenden Schicht mit der umgebenden Atmosphäre, um Transmission durch das Modul eines Bereichs des Lichts, das von der ersten Elektrodeneinrichtung durchgelassen wird und nicht von der halbleitenden Schicht (12) absorbiert wird zu erlauben; wobei die zweite Elektrodeneinrichtung ausgebildet ist, um Transmission von infrarotem Licht abzuschwächen und einen symmetrischen Stapel umfaßt, der aus einem Paar dotierter Zinkoxid (ZnO) Schichten und einer Silber (Ag) Schicht mit ZnO-Schichten auf beiden äußeren Oberflächen des Stapels ausgebildet ist, wobei die Silberschicht eine Dicke von 5 -20 nm hat, wobei die ZnO-Schichten eine Dicke von 40 - 100 nin haben und mit einem Gruppe III-Element oder Wasserstoff dotiert sind.

4. Ein photovoltaisches Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der Elektrodeneinrichtungen ausgebildet sind, um Transmission von sichtbarem Licht zu erhöhen oder vorzugsweise zu Maximieren.

5. Eine Struktur (72, 76, 80, 84), umfassend eine Mehrzahl von Wänden, die ein inneres Volumen definieren; wobei mindestens eine Öffnung in den Wänden und ein photovoltaisches Modul (70, 74, 78, 82) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche Teil der Struktur bilden und die Öffnung bedecken.

6. Eine Struktur gemäß Anspruch 5, umfassend ein Fahrzeug.

7. Eine Struktur gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug eine Auto (72) ist mit einem Sonnendach; wobei die Öffnung in den Wänden durch das Sonnendach geschlossen wird und das photovoltaische Modul (70) innerhalb des Sonnendachs angeordnet ist, um einfallendes Licht, das innerhalb eines ersten Bereichs des Sonnenspektrums liegt in Elektrizität umzuwandeln und Licht innerhalb eines zweiten Bereichs des Spektrums an das Innere des Autos durchzulassen.

8. Eine Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Schiff (76) zur Navigation auf dem Wasser ist und eine Lukenabdeckung hat; wobei die Öffnung in den Wänden durch die Lukenabdeckung geschlossen wird; und wobei das photovoltaische Modul (74) innerhalb der Lukenabdeckung angeordnet ist, um einfallendes Licht, das innerhalb eines ersten Bereichs des Sonnenspektrums liegt in Elektrizität umzuwandeln und Licht, das innerhalb eines zweiten Bereichs des Sonnenspektrums liegt an das Innere des Schiffs durchzulassen.

9. Eine Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ein Gebäude (80, 84) ist; wobei die Öffnung in den Wänden eine Fensteröffnung ist; und wobei das photovoltaische Modul (78, 82) innerhalb der Fensteröffnung angeordnet ist, um einfallendes Licht, das innerhalb eines ersten Bereichs des Sonnenspektrums liegt in Elektrizität umzuwandeln und als Fenster dient, um Licht, das innerhalb eines zweiten Bereichs des Sonnenspektrums liegt an das Innere des Gebäudes durchzulassen.