DE3725338A1 - Verkapselung von einem photovoltaischem element - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verkapselung von einem
photovoltaischen Element wie Solarzelle oder Solarzellenmodul,
dessen freie Außenfläche mit einer transparenten Schutzschicht
abgedeckt ist, sowie auf ein Verfahren zur Durchführung einer
entsprechenden Verkapselung.
Solarzellen oder aus diesen bestehende Module oder Panels für
die photovoltaische Stromerzeugung werden sowohl innerhalb als
auch außerhalb von Räumen eingesetzt. Hauptanwendungsgebiet
ist jedoch die Nutzung im Freien z.B. zur Energieerzeugung für
Einfamilienhäuser, Pumpen, Kühlaggregate, Boote und ähnliches.
Hierdurch bedingt sind sie einer Vielzahl von Störungen durch
z. B. Witterung, Staub, Schmutz und ähnliches ausgesetzt. Aus
diesem Grunde müssen die stromerzeugenden und -ableitenden
Teile und die Verschaltung zwischen den einzelnen Zellen vor
entsprechenden Einflüssen geschützt werden.
So ist es bekannt,
Solarzellen durch Aufkleben von Spezialglas- oder
Quarzglasscheiben, transparentem Kunststoff oder mit Kunststoff
beschichteten Metallfolien auf der Rückseite der Zellen zu
verkapseln. Diese Deckplatten, zwischen denen die Solarzelle
liegt, werden von einem Rahmen gefaßt und abgedichtet.
Zwischen den Deckplatten und den Zellen können zusätzlich noch
transparente organische Materialien eingebracht werden. Die
Materialauswahl hat dabei unter den Gesichtspunkten zu
erfolgen:
- - gute optische Eigenschaften (Durchlässigkeit, Brechungsindex), die durch Bestrahlung mit Sonnenlicht nicht verschlechtert werden dürfen,
- - mechanische und thermische Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Stoßfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, thermische Ausdehnung, Dichtheit),
- - Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und chemische Einwirkungen (Erosion, Korrosion, Verunreinigung),
- - Widerstandsfähigkeit gegen alle Wetterbedingungen.
Entsprechende Verkapselungstechniken zeigen erhebliche
Nachteile, die sich sowohl durch die Vielzahl der verwendeten
unterschiedlichen Materialien, die miteinander in Berührung
gelangen, als auch durch die aufwendigen und umständlichen
Fertigungstechnologien ergeben. Dabei erwachsen zusätzliche
Probleme dann, wenn die Größe der zu verkapselnden bzw. zu
versiegelnden Fläche zunimmt. Da außerdem bei der
Materialauswahl Kompromisse eingegangen werden müssen, tritt
eine Bruchgefahr des Glases oder eine Unbeständigkeit von
organischem Material gegen langzeitige Licht- und
Umwelteinflüsse auf. Auch können die unterschiedlichen
thermischen Eigenschaften der aneinandergrenzenden Materialien
zu Bruch und Schäden der photovoltaischen Zellen und Modulen
führen, wenn ein Einsatz mit starken
Temperaturwechselbeanspruchungen erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verkapselung
von einem photovoltaischem Element der eingangs beschriebenen
Art zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen mechanische, chemische Einwirkungen und gegen
Wettereinflüsse zeigt, wobei gleichzeitig gute optische,
mechanische und thermische Eigenschaften gewährleistet sein
sollen. Auch soll die Verkapselungsherstellungstechnik einfach
und kostengünstig erfolgen können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß u. a. dadurch gelöst, daß die
Verkapselung aus einer Schutzschicht aus amorphem oder
kristallinem Kohlenstoff oder einer dielektrischen
Siliziumverbindung besteht, die bei Temperaturen unter 500°C auf
zumindest der freien Außenfläche des photovoltaischen Elementes
aufgebracht ist. Vorzugsweise wird die Verkapselung durch zwei
übereinander angeordnete Schichten gebildet, von denen die
äußere Schicht aus dem Kohlenstoff und die innenliegende Schicht
aus der dielektrischen Siliziumverbindung, vorzugsweise aus
Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid besteht. In Ausgestaltung ist
die Dicke einer jeden Schicht kleiner als 10 µm, wobei die
Summe beider Schichten kleiner als 15 µm sein sollte.
Insbesondere ergibt sich dann eine optimale Verkapselung, wenn
die Dicke der aus Kohlenstoff bestehenden Schicht kleiner als
1 µm und die der Siliziumverbindung kleiner 5 µm ist.
Ein Verfahren zur Verkapselung eines photovoltaischen Elementes
zeichnet sich dadurch aus, daß die Schichten auf zumindest der
freien Außenfläche durch Abscheiden aus einer Kohlenwasserstoff
oder Silan-Ammoniak-Gasphase bei Temperaturen unterhalb von
500°C abgeschieden werden. Dabei erfolgt vorzugsweise bei
Ausbildung der Schicht aus amorphem Kohlenstoff eine
Abscheidung in einer Plasmaglimmentladung bei einer Temperatur
T 1 mit T 1 200°C vorzugsweise 60°C T 1 100°C. Der
kristalline Kohlenstoff wird in einer
Mikrowellen-Plasma-CVD-Anlage bei Temperaturen T 2 mit
T 2 1000°C, vorzugsweise 750°C T 2 950°C
abgeschieden. Sofern die Schicht aus einer dielektrischen
Siliziumverbindung besteht, erfolgt ein Abscheiden aus einem
Silan-Ammoniak-Plasma bei einer Temperatur T 3 des Elementes mit
230°C T 3 450°C vorzugsweise 260° T 3 280°C.
Durch die erfindungsgemäße Lehre erfolgt eine Verkapselung bzw.
Versiegelung von photovoltaischen Elementen wie Solarzellen oder
Solarzellenmodulen, die sowohl korrosiven als auch abrasiven
Schutz geben und die gegebenenfalls in einem kontinuierlichen
Prozeß auf beliebig große Flächen aufgebracht werden können.
In nicht vorherzusehender Weise ergibt sich außerdem eine
Haftfestigkeit sowie Verträglichkeit, die ohne Beeinflussung der
Transparenz eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber
Witterungseinflüssen, mechanischen und chemischen Einwirkungen
sowie thermischen Beeinflussungen zeigt. Verfahrensmäßig ergibt
sich der Vorteil, daß eine wirtschaftliche Fertigung von
großflächigen Modulen möglich wird, wobei hinsichtlich der zu
versiegelnden bzw. zu verkapselnden Flächen Grenzen kaum
gegeben sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen und den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für
sich und/oder in Kombination -.
An Hand der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu
entnehmenden Ausführungsbeispiels ergeben sich weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung.
In der einzigen Figur ist rein schematisch ein photovoltaisches
Element (10) dargestellt. Bei dem photovoltaischen Element (10)
kann es sich um eine Dünnschichtzelle auf der Basis von
amorphem Silizium oder anderen im physikalischen Sinn direkt
absorbierende Halbleitermaterialien bzw. Dickschichtzellen auf
der Basis von mono- oder polykristallinem Silizium oder anderen
im physikalischen Sinne indirekt absorbierenden
Halbleitermaterialien handeln. Dabei weist das photovoltaische
Element einen bekannten Aufbau auf, wie er z.B. an Hand einer
Vielzahl von Beispielen in "Lippold/Trogisch/Friedrich,
Solartechnik, Ernst, Verlag für Architektur und technisches
Wissen, 1974" beschrieben ist.
Erfindungsgemäß ist die Solarzelle (10) ganzflächig verkapselt,
und zwar im Ausführungsbeispiel durch die Schutzschichten (12)
und (14). Eine entsprechende Verkapselung stellt eine bevorzugte
Ausführungsform dar, gleichwenn in Abhängigkeit von dem
Einsatz der Solarzelle (10) eine Verkapselung mit nur einer
Schicht, also der Schicht (12) oder (14) ausreichen kann. Bei
den Schichten (12) und (14) handelt es sich erfindungsgemäß
zum einen um eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff (a-C : H),
kristallinem Kohlenstoff (c-C), amorphem Siliziumoxinitrid
(a-SiN x : H) oder kristallinem Siliziumnitrid, die aus der Gasphase
auf der Außenfläche des photovoltaischen Elementes (10)
abgeschieden werden.
Das Abscheiden der Schichten (12) bzw. (14) soll an Hand der
nachstehenden Beispiele näher erläutert werden.
Die fertige Solarzelle (10) - diese kann auch durch ein
Solarzellenmodul ersetzt werden - wird in einem Reaktionsraum
angeordnet, um in einer Plasmaglimmentladung mit amorphem
Kohlenstoff beschicht zu werden. Hierzu wird Hochfrequenz im
Bereich von 2,3 bis 13,56 MHz kapazitiv eingekoppelt. Die
Solarzelle (10) befindet sich auf einer ungeerdeten Elektrode und
nimmt eine Vorspannung V e im Bereich von -10 V bis -900 V an.
Vorzugsweise sollten die Parameter so eingestellt werden, daß
die Vorspannung V e im Bereich von -100 V zu liegen kommt. Der
Reaktionsbehälter wird an eine Kohlenwasserstoffquelle wie z. B.
Methan, Äthan, Butan, Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen,
Cyclohexan, Octon, Dekan, Xylan, Naphtalin oder ähnliches
angeschlossen, wobei der Druck im Reaktionsraum auf in etwa
5 Pa (= 5×10-5 bar) eingestellt wird. Die Abscheiderate sollte im
Bereich von 0,15 bis 3 nm/s in Abhängigkeit von der
verwendeten Kohlenwasserstoffquelle liegen. Bei durchgeführten
Versuchen betrug der Elektrodenabstand 3 cm und die
Hochfrequenzleistung 1 W/cm2 bei einer Flächengröße der
Solarzelle von 100 cm2. Unter diesen Bedingungen ließen sich
Schichten mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 µm,
vorzugweise 1 bis 2 µm erzielen, wobei die Substrattemperatur
bei 80°C lag. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, daß sich
eine ausreichende Kratzfestigkeit und Härte der Schicht (1000 Hv)
bei gleichzeitig genügend hohem Bandabstand (1,8 eV) ergab, um
die optischen Verluste zu minimieren. Darüberhinaus zeichnen
sich die gewählten Abscheideparameter dadurch aus, daß die
erzeugten Schichten mit einem Brechungsindex von n = 2,0 als
Antireflexionsschichten dienen.
An Stelle einer aus amorphem Kohlenstoff bestehenden
Schutzschicht wurde eine unverkapselte Solarzelle zum Schutz
gegen Beeinflussungen mit amorphem Siliziumoxynitrid allseitig
beschichtet. Hierzu wurde die Solarzelle in ein mit pyrogenem
Graphit beschichtetes Graphitboot, das sich innerhalb eines
Quarzrohres befindet, einem Silan-Ammoniak-Plasma ausgesetzt.
Die Gasdurchsatzmengen wurden auf 230 cm3/min für Silan und
1750 cm3/min für Ammoniak gewählt. Der Druck im
Reaktionsbehälter belief sich während der Abscheidung auf in
etwa 100 Pa (= 0,8 Torr). Die Temperatur der Solarzelle
(Substrattemperatur) wurde zwischen 200°C und 450°C,
vorzugsweise zwischen 260°C und 280°C eingestellt. Die
Hochfrequenzleistung im Bereich zwischen 50 und 500 KHz beläuft
sich zwischen 50 und 1000 W/m2. Typischerweise ergaben sich
80 W/m2 bei einer Frequenz von 400 KHz. Unter diesen
Parametern ergaben sich Siliziumnitridschichten der Dicken
zwischen 100 und 10.000 nm. Bevorzugterweise sollten die
Schichtdicken zwischen 1000 und 1500 nm liegen. Der
Brechungsindex betrug 1,95, so daß sich nicht nur eine
Diffussionsbarriere gegen schädliche Umwelteinflüsse ergab,
sondern auch eine Antireflexionsschicht.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Solarzelle
sowohl mit einer Schicht aus amorphem Kohlenstoff als auch mit
einer Siliziumnitridschicht verkapselt. Dabei wurde unmittelbar
auf die Solarzelle die Siliziumnitridschicht mit einer Dicke
zwischen 1000 und 5000 nm aufgetragen. Zur Erhöhung der
Kratzfestigkeit und der Härteeigenschaften wurde sodann eine 300
bis 800 nm dicke amorphe Kohlenstoffschicht aufgebracht. Das
Auftragen der einzelnen Schichten erfolgte dabei entsprechend
der Ausführungsbeispiele A und B.
Anstelle der beispielhaft erwähnten jeweiligen amorphen Schicht
kann auch eine entsprechende kristalline Schicht Verwendung
finden. Die korrespondierende kristalline Schichtdicke ist dabei
um den Faktor 2-10, vorzugsweise 4-6 zu erhöhen. (Schichtdicke
der kristallinen Siliziumnitridschicht im Bereich 2 und 50 µm und
der kristallinen Kohlenstoffschicht im Bereich 0,6 und 8 µm).
Claims (8)
1. Verkapselung von einem photovoltaischen Element wie
Solarzelle oder Solarzellenmodul, wobei zumindest dessen freie
Außenfläche mit einer transparenten Schutzschicht abgedeckt
ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschicht (12, 14) aus Kohlenstoff oder einer
dielektrischen Siliziumverbindung besteht.
2. Verkapselung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus Kohlenstoff bestehende Schicht (14) amorph
und/oder kristallin ausgebildet ist.
3. Verkapselung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche des photovoltaischen Elementes (10) mit
zwei übereinander angeordneten Schichten (12, 14) abgedeckt
ist, von denen die äußere Schicht (14) aus dem Kohlenstoff
und die innenliegende Schicht (12) aus der dielektrischen
Siliziumverbindung vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder
Siliziumoxinitrid besteht.
4. Verkapselung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke einer jeden amorphen Schicht (12, 14) kleiner
als 10 µm, die Summe der zwei Schichten kleiner als 15 µm
ist.
5. Verkapselung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Schicht (12) aus amorphem Kohlenstoff
kleiner als 1 µm und die Dicke der Schicht aus der
Siliziumverbindung kleiner als 5 µm ist.
6. Verkapselung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element (10) allseitig mit zumindest einer
Schutzschicht (12, 14) abgedeckt ist.
7. Verfahren zur Verkapselung von einem photovoltaischen
Element wie Solarzelle oder Solarzellenmodul, wobei zumindest
dessen freie Außenfläche mit einer transparenten
Schutzschicht abgedeckt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschicht aus einer Kohlenwasserstoff- oder
Silan-Ammoniak-Gasphase bei Temperaturen unterhalb von
500°C abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch plasma- bzw. mikrowellengestütztes Abscheiden aus
der Gasphase (CVD) eine Siliziumnitrid- oder
-oxinitrid-Schicht bei maximal 500°C des photovoltaischen
Elementes und/oder einer amorphen Kohlenstoffschicht bei
maximal 200°C des photovoltaischen Elementes aufgetragen
wird.
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