EP4591365A1 - Solar module with three-terminal tandem solar cells - Google Patents
Solar module with three-terminal tandem solar cellsInfo
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- EP4591365A1 EP4591365A1 EP23772202.0A EP23772202A EP4591365A1 EP 4591365 A1 EP4591365 A1 EP 4591365A1 EP 23772202 A EP23772202 A EP 23772202A EP 4591365 A1 EP4591365 A1 EP 4591365A1
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Definitions
- the present invention relates to a solar module with tandem solar cells.
- Solar modules are used to convert light, particularly that emitted by the sun, into electrical energy. Such solar modules are also referred to as photovoltaic modules or PV modules.
- a solar module comprises a large number of solar cells connected in series and/or parallel.
- the solar module also conventionally has a power input connection and a power output connection in order to be able to connect the solar module with other solar modules in series and/or parallel to form a solar system and ultimately to be able to supply the electrical energy generated in the solar module to an external circuit with consumers connected to it.
- solar cells have typically been used in solar modules, in which pairs of charge carriers that were generated by absorption of incident light are separated at a single potential difference generated, for example, by a pn junction.
- the performance or efficiency of the solar cells depends, among other things, on the potential difference and thus on the (semiconductor) material used to generate the potential difference.
- the efficiency of the solar cells is limited, among other things, by the fact that, depending on a band gap of the semiconductor material used, a low-energy portion of the irradiated light cannot be absorbed and a high-energy portion can only be converted into electrical energy with considerable energy losses.
- solar cells were developed in which two or more partial solar cells are stacked on top of each other.
- Such solar cells are referred to as tandem solar cells or sometimes as multi-junction solar cells or stacked solar cells.
- the two partial solar cells differ in terms of their materials and therefore their band gaps.
- a partial solar cell facing the incident light which is also referred to as a top cell, typically has a larger band gap and is therefore designed to absorb and convert a high-energy portion of the incident light with relatively little energy loss.
- a further partial solar cell arranged underneath which is also referred to as a bottom cell, then has a smaller band gap and is therefore designed to absorb and convert a low-energy portion of the irradiated light with relatively little loss.
- Tandem solar cells are preferably monolithic. This means that a tandem solar cell is designed as a single component in which all components, such as various semiconductor layers and contacts, are firmly connected to one another. For this purpose, several layers can be deposited on top of one another over the entire surface and/or in partial areas.
- the tandem solar cell has at least two terminal contacts, but in some implementations, as explained below, three, four or more terminal contacts.
- a terminal contact is understood to be an electrical contact on the tandem solar cell that is accessible from the outside and via which the solar cell or its partial solar cells can be electrically connected to other solar cells or their partial solar cells.
- So-called 2-terminal tandem solar cells also referred to as 2TT solar cells
- 2TT solar cells have only two terminal contacts, with a so-called top contact typically being provided on a front side and a so-called bottom contact on a back side of the tandem solar cell.
- Such 2TT solar cells are easy to connect in a solar module, i.e. essentially like conventional non-tandem solar cells.
- the fact that a total current that flows through the 2TT solar cell must be the same for both partial solar cells means that this is limited by the weaker of the two partial solar cells. Accordingly, losses due to current mismatch occur regularly.
- the reason for this can be, on the one hand, that the band gaps of the two partial solar cells are caused by technological framework conditions are not optimally chosen and one partial solar cell generates a higher current than the other, with the lower current of the weaker partial solar cell then limiting the total current of the tandem solar cell. On the other hand, even if the band gaps are optimally selected, current mismatch effects can occur due to a change in the irradiated light spectrum.
- a tandem solar cell can have four terminal contacts, i.e. be designed as a so-called 4TT solar cell.
- Each individual partial solar cell has its own two terminal contacts and can therefore be operated at its optimal operating point independently of the other partial solar cell.
- all partial solar cells must be processed, contacted and connected separately, which requires increased effort and increased optical shading can occur.
- 3TT solar cells As a sort of middle ground between the 2TT solar cells and the 4TT solar cells, tandem solar cells with three terminal contacts were developed, which are accordingly referred to as 3TT solar cells.
- 3TT solar cells In addition to a top contact and a bottom contact, 3TT solar cells have an additional terminal contact, which is referred to as a center tap contact.
- the center tap contact contacts both the top cell as a second terminal contact in addition to the top contact and the bottom cell as a second terminal contact in addition to the bottom contact.
- 3TT solar cells allow electrical interconnection within a solar module, in which losses due to mismatches in the current can be significantly reduced.
- connecting the 3TT solar cells within the module can be less complex than with 4TT solar cells and/or losses due to optical shading due to a large number of terminal contacts can be lower than with 4TT solar cells.
- a solar module which has a plurality of 3TT solar cells and at least two power input connections on a power input of the module and/or at least two power output connections on a power output of the module.
- the 3TT solar cells are connected to each other to form at least one string.
- Each 3TT solar cell has a stack with a top cell and a bottom cell arranged underneath, the top cell and the bottom cell differing from each other in terms of an electrical voltage generated when irradiated with light.
- Each 3TT solar cell has three terminal contacts with a top contact, which electrically contacts a side of the top cell facing away from the bottom cell, a bottom contact, which electrically contacts a side of the bottom cell facing away from the top cell, and a center tap contact, which connects the 3TT solar cell to an interface electrically contacted between the top cell and the bottom cell.
- a first of the power input connections is connected to at least one of the terminal contacts of a first of the 3TT solar cells closest to the power input and a second of the power input connections is connected to at least one of the terminal contacts of a second of the 3TT solar cells adjacent to the first 3TT solar cell.
- a first of the current output connections is connected to at least one of the terminal contacts of a last of the 3TT solar cells closest to the current output and a second of the current output connections is connected to at least one of the terminal contacts of a penultimate of the 3TT solar cells adjacent to the last 3TT solar cell.
- a solar system which has a plurality of solar modules according to an embodiment of the first aspect of the invention, with each of the power output connections of one of the solar modules being electrically connected to an assigned power input connection of the adjacent one of the solar modules in neighboring solar modules.
- the present invention describes in particular a solar module in which, due to a special type of arrangement and interconnection of the 3TT solar cells accommodated therein, losses, in particular so-called string-end losses, such as those in conventional solar modules in which the 3TT solar cells are arranged in a conventional manner and are connected, occur, can largely be avoided.
- losses in particular so-called string-end losses, such as those in conventional solar modules in which the 3TT solar cells are arranged in a conventional manner and are connected, occur, can largely be avoided.
- a main feature of the solar module presented here can be seen in the fact that the solar module does not only have a single power input connection and a single power output connection, as is usually the case with conventional solar modules, but rather two or more such power input connections and power output connections and these connections are connected in a specific way to the 3TT solar cells within the solar module.
- a solar module as described here includes a large number of solar cells in the form of 3TT solar cells.
- the solar module typically comprises more than ten solar cells, usually more than 50 solar cells, but usually less than 300 solar cells, usually less than 150 solar cells.
- Each individual solar cell is a flat diode, with an area typically between 10 cm 2 and 1000 cm 2 , usually between 100 cm 2 and 500 cm 2 .
- a thickness of a solar cell is typically in the range between 10 pm and 1000 pm, usually between 50 pm and 400 pm.
- At least part of the solar cell can be formed on the basis of a crystalline, that is to say monocrystalline, multicrystalline or polycrystalline, semiconductor substrate such as a silicon wafer.
- part of the solar cell can be formed with amorphous semiconductor material, for example in the form of one or more thin layers.
- the solar cells are connected to one or more strings.
- the entire solar cells or the partial solar cells forming these solar cells can be connected in series and/or parallel to one another.
- a string here is understood to be a smallest unit made up of a plurality of solar cells connected to one another, whereby the entire solar module can comprise several such strings connected to one another in series and/or parallel.
- a number of solar cells that are combined in a string can depend on various influencing factors. In particular, this number is typically chosen such that an electrical voltage generated by the string when illuminated does not exceed a reverse voltage strength of each of the solar cells in the string.
- such strings comprise between three and 50 solar cells connected in series, usually between six and 30 solar cells connected in series.
- the 3TT solar cells installed in the solar module consist of a first partial solar cell and a second partial solar cell.
- the first partial solar cell is arranged on a side of the solar cell that faces the incident light during use, which is considered to be the upper side, which is why this first partial solar cell is referred to as the top cell.
- the second partial solar cell is arranged below the first partial solar cell and is therefore referred to as the bottom cell.
- Each of the partial solar cells can in turn be connected via a single pn junction or Application of special cell concepts with several pn junctions, which are preferably located one behind the other along the direction of light incidence.
- the top cell and the bottom cell differ in terms of the semiconductor materials that form them.
- the semiconductor material of the top cell typically has a larger energy band gap than that of the bottom cell, with the two band gaps being able to differ in magnitude from one another by, for example, more than 20%, preferably more than 40% or even more than 80%. Due to the different band gaps, different electrical voltages arise in the two partial solar cells when illuminated at a potential difference formed therein by suitable local doping (for example due to a respective pn junction).
- the open-circuit voltages (which are sometimes also referred to as open-terminal voltages Voc) differ significantly in the top cell and the bottom cell.
- the Voc of the top cell may be 30% or more, 50% or more, or even 100% or more greater than that of the bottom cell.
- Each 3TT solar cell has exactly three terminal contacts through which it is connected to other 3TT solar cells.
- a terminal contact is generally formed by an electrically conductive layer, such as a metal layer, which is attached to the solar cell or integrated into the solar cell.
- a terminal contact can be formed with a single layer, but the terminal contact can also be composed of a plurality of sub-areas or sub-layers.
- the three terminal contacts can be configured according to a convention described by Warren et al. (see document [9] in the list of documents mentioned in the introduction to the description).
- a first contact is typically arranged on a front surface of the solar cell that faces the incident light and electrically contacts that side of the top cell that faces away from the bottom cell (whereby “electrical contact” herein generally means direct electrical contact, ie without Interposition of other electrical components should be understood, ie in particular an ohmic contact).
- the first contact is referred to herein as the top contact, but may also be referred to as a T-contact (with “T” for top) according to Warren convention.
- a second contact is typically arranged on a back surface of the solar cell facing away from the incident light and electrically contacts that side of the bottom cell, which faces away from the top cell.
- the second contact is referred to herein as the bottom contact, but may also be referred to as the R contact (with "R" for raiz or root) following Warren's convention.
- a third contact can be arranged, for example, in a plane between the top cell and the bottom cell. However, as stated in more detail below, the third contact can also be spatially arranged on the back surface of the solar cell, wherein the bottom cell and the third contact can be designed in such a way that via the third contact there is an interface between the top cell and the bottom cell prevailing electrical current can be derived.
- the third contact electrically contacts the interface between the top cell and the bottom cell. In doing so, it electrically contacts a side of the bottom cell, which is opposite to the side contacted by the bottom contact and has an opposite polarity relative to the area of the bottom cell contacted by the bottom contact, so that a voltage generated at the bottom cell is tapped via the bottom contact and the third contact can.
- the third contact electrically contacts a side of the top cell which is opposite to the side contacted by the top contact and has an opposite polarity relative to the area of the top cell contacted by the top contact, so that a voltage is generated at the top cell via the top contact and the third contact can be tapped.
- the third contact is referred to herein as the center tap contact, but may also be referred to as the Z contact (with "Z" for additional) according to Warren's convention.
- each individual solar module typically has only one power input connection and only one power output connection, via which the solar cells integrated in the solar module can be connected to an external circuit.
- Several solar modules can be connected to one another in series and/or parallel via their individual power input connections and power output connections in order to form a solar system overall.
- the solar module described herein should have at least two power input connections and/or at least two power output connections.
- each solar module should have at least two power input connections and two power output connections.
- a solar module which serves as the first solar module within a solar system, only has one power input connection but two power output connections or a solar module, which serves as the last solar module within a solar system, has two power input connections but only one power output connection.
- the power input connections and power output connections are electrically connected in a special way to the terminal contacts of the various solar cells within the solar module.
- a first power input connection is electrically connected to at least one of the terminal contacts of that solar cell that is closest to the power input in the solar module, that is, which has no further solar cell connected upstream on the power input side and which can therefore be viewed as the first solar cell of the solar module.
- a second power input connection is electrically connected to at least one of the terminal contacts of that solar cell that is adjacent to the first solar cell, i.e. to the second solar cell within the solar module.
- the first and second solar cells are components of one and the same string.
- the first power input connection is directly electrically connected exclusively to the first solar cell.
- the second power input connection can only be electrically connected directly to the second solar cell.
- the second power input connection can also be connected to one of the terminal contacts of the first solar cell, although this terminal contact differs from the terminal contact to which the first power input connection is connected. Accordingly, there is no direct ohmic electrical connection between the first and second power input terminals.
- a first current output connection is connected to at least one of the terminal contacts of a last solar cell closest to the current output and a second current output connection is connected to at least one of the terminal contacts of a penultimate solar cell adjacent to the last solar cell.
- the last and the penultimate solar cell are components of one and the same string.
- the first power output connection is preferably electrically connected directly exclusively to the last solar cell of the solar module.
- the second current output connection can only be electrically connected directly to the penultimate solar cell.
- the second current output connection can also be connected to one of the terminal contacts of the last solar cell, although this terminal contact is different from the terminal contact with which the first Power output connection is connected, differs. Accordingly, there is no direct ohmic electrical connection between the first and second current output connections.
- string end losses such as those that typically occur in each individual solar module of a solar system or even in each individual string in conventional solar modules with 3TT solar cells, can be largely avoided or their occurrence can be limited to a first solar module and/or a last solar module within a solar system with a large number of solar modules. This is explained further below with reference to specific exemplary embodiments.
- the top cell and the bottom cell of each of the 3TT solar cells are arranged in an r-type configuration with reverse polarity.
- the first power input terminal is connected to the center tap contact of the first 3TT solar cell and the second power input terminal is connected to the center tap contact of the second solar cell.
- the first current output connection is connected to the top contact of the last 3TT solar cell and the second current output connection is connected to the top contact of the penultimate 3TT solar cell.
- the top cell and the bottom cell of a 3TT solar cell are aligned with opposite polarities, that is, for example, the forward direction of the top cell is directed from the center tap contact toward the top contact and the forward direction of the bottom cell is directed from the center tap contact toward the bottom contact.
- Such a configuration is also referred to as an r-type configuration, where “r” stands for “reverse”.
- r stands for “reverse”.
- the top solar cell and the bottom solar cell are aligned in the same way and are therefore connected in series.
- the r-type configuration enables a particularly advantageous connection for the solar modules described here of the 3TT solar cells with each other and with the at least two power input connections or at least two power output connections.
- the first power input connection can preferably be electrically contacted exclusively with the center tap contact of the first 3TT solar cell of the solar module.
- the second power input connection is then electrically contacted with the center tap contact of the second 3TT solar cell of the solar module, wherein this second power input connection can also be electrically contacted with the bottom contact of the first 3TT solar cell.
- the first power output connection is preferably electrically contacted exclusively with the top contact of the last 3TT solar cell of the solar module.
- the second current output connection is then electrically contacted with the top contact of the penultimate 3TT solar cell of the solar module, whereby this second current output connection can also be electrically contacted with the bottom contact of the last 3TT solar cell of the solar module.
- the r-type configuration described, together with the special way of connecting the connections, makes it possible to connect the 3TT solar cells to one another and to the multiple input and output connections in an advantageous manner, in particular in a manner with relatively few electrical lines required to interconnect so that the occurrence of losses, in particular the occurrence of string end losses, can be largely limited.
- the electrical voltage of the top cell generated when irradiated with light and the electrical voltage of the bottom cell generated when irradiated with light can essentially be in a ratio of m to n, m and n being natural numbers. “Substantially” can be understood here, for example, to mean that the ratio of the electrical voltages actually occurring in the top cell and the bottom cell differs from a ratio (m: n), for example by less than 25%, preferably less than 15%, more preferably less than 5%.
- n top cells connected in series can be connected in parallel to m bottom cells connected in series.
- the top cell and the bottom cell can be designed, for example due to a suitable choice of materials and/or dopings used to produce them, in such a way that their electrical voltages generated under common illumination, ie preferably their electrical voltages V mp p at the point of maximum power, im Essentially have an integer ratio to each other. Accordingly, the n top cells connected in series can generate essentially the same voltage under illumination as the m bottom cells connected in parallel in series with one another. The described adjustment of the voltages between the partial solar cells is also referred to as voltage matching of the strings.
- m>2 and n>1 can be.
- a number of the current input connections and/or a number of the current output connections then corresponds (in the case of an r-type configuration) to a larger of the two values m and n or is larger (in the case of an s-type configuration) to the larger of the two values m and n.
- a number of the power input terminals and/or power output terminals provided on the solar module can correlate with the way in which the top cells and the bottom cells are matched with respect to the electrical voltages they generate and can thus be matched in groups of several series-connected top cells in parallel with groups of several series-connected bottom cells.
- each bottom contact of a solar cell can be connected to the center tap contact of the next adjacent 3TT solar cell, and, with the exception of the last and the penultimate 3TT solar cell, each top contact of a solar cell can be connected to the center tap contact of the be connected to the next but one subsequent 3TT solar cell.
- a first bypass diode is connected in parallel to the 3TT solar cells of the string in each of the strings. Furthermore, in each of the strings, a second bypass diode is connected in parallel to the top cell of a last 3TT solar cell in the string.
- bypass diodes Like all diodes, bypass diodes only allow a significant flow of current in one direction, i.e. in their forward direction.
- bypass diodes are typically connected anti-parallel to the solar cells, e.g. of a string, so that in normal operating mode, i.e. when all solar cells are functioning correctly and generating electricity, they are polarized in the reverse direction.
- one (or more) of the solar cells does not deliver any current, for example due to shading, it acts like an electrical consumer. The current generated by the other solar cells would have to flow through this consumer, which can generate considerable heat and lead to so-called hotspots.
- bypass diodes in solar modules are therefore typically connected anti-parallel to strings of solar cells connected in series.
- a blocking voltage of the bypass diode corresponds approximately to an open circuit voltage of the solar cells connected in the string.
- the individual top cells and bottom cells of the multiple 3TT solar cells can be connected in such a way that a first number of top cells are connected in series with one another and a second number of bottom cells that are different from them are also connected in series, with both series connections being connected in parallel to one another.
- the top cells of the 3TT solar cells can not be connected in series with the top cell of a next-to-next 3TT solar cell, but only with the top cell of the next-but-one 3TT solar cell.
- a first bypass diode can be connected in parallel to the 3TT solar cells of a string.
- the top cell of the last 3TT solar cell of the string is not protected by this first bypass diode in the connection described. Accordingly, it is advantageous to provide a separate, second bypass diode for this top cell, which is connected in parallel to this top cell.
- a second bypass diode can have different properties than the first bypass diode, since it only has to protect a single top cell.
- the blocking voltage of the second bypass diode can be lower than that of the first bypass diode.
- all bypass diodes in the solar module are designed in the same way.
- the first bypass diode can be electrically connected on the one hand to the center tap contact of the first 3TT solar cell of the string and on the other hand to the bottom contact or the top contact of the last 3TT solar cell of the string.
- the second bypass diode can be electrically connected on the one hand to the top contact or the bottom contact of the last 3TT solar cell of the string and on the other hand to the center tap contact of the last 3TT solar cell of the string.
- Such a type of connection of the first and second bypass diodes can, as described below with reference to a specific exemplary embodiment, be particularly advantageous for an embodiment of the solar module in which the 3 TT solar cells are designed in an r-type configuration and with regard to the voltages of their top cells and bottom cells are coordinated with one another in a ratio of (2:1).
- the solar module can have at least one bypass diode connected across strings, the bypass diode connected across strings being connected, on the one hand, to a 3TT solar cell in front of the last 3TT solar cell (i.e., for example, a penultimate 3 TT solar cell) of an adjacent substring and, on the other hand, to the last solar cell of the substring to be saved.
- a 3TT solar cell in front of the last 3TT solar cell (i.e., for example, a penultimate 3 TT solar cell) of an adjacent substring and, on the other hand, to the last solar cell of the substring to be saved.
- a connection of bypass diodes to the 3TT solar cells can be designed in the solar module in such a way that at least one last 3TT solar cell in one of the substrings is connected to two bypass diodes, namely the bypass diode assigned to the substring in question and connected in parallel to it and the bypass diode assigned to an adjacent substring.
- the bypass diodes can be connected to the relevant 3TT solar cell in such a way that at least one of the two bypass diodes protects the bottom cell and at least the other of the two bypass diodes protects the top cell of this 3TT solar cell. In this way, it is preferable to provide a separate bypass diode only to protect a single top or bottom cell of an individual 3TT solar cell, as discussed above with the second bypass diode, can be avoided.
- the solar module can have at least one further power input connection and/or at least one further power output connection.
- At least one bypass diode that can be connected across modules is accommodated in the solar module.
- the bypass diode to be connected across modules can be connected on the one hand to the further power input connection and on the other hand to one of the terminal contacts, in particular the bottom contact, of one of the 3TT solar cells in the solar module.
- the center tap contact of the last 3TT solar cell of the solar module can be connected to the other power output connection.
- the previously described provision of a second bypass diode to protect the top cell of a last 3TT solar cell in a string can be dispensed with.
- this top cell can be protected by the or one of the first bypass diodes of the following string, i.e. a bypass diode connected in this way can work across strings.
- the subsequent first bypass diode contacts the last top cell of the previous string, for example in the case of the r-type configuration, contacting the center contact of the last cell in the string.
- the top cell to be protected is that of the last 3TT solar cell not only within one of several strings in the solar module but also the very last 3TT solar cell in the entire solar module, this cannot be protected via a first bypass diode from the same solar module become. Instead, this top cell is protected using a first bypass diode from a neighboring solar module.
- at least one further power input connection and/or at least one further power output connection is provided on the solar module, via which said top cell can be connected to the first bypass diode in an adjacent solar module.
- the solar module can be designed with regard to a geometric arrangement of the 3TT solar cells accommodated therein in such a way that several of the solar cells that form a substring are arranged side by side along the entire width of the solar module.
- the substring accordingly contains a relatively large number of solar cells connected in series.
- This type of connection into cell-rich substrings is particularly suitable for the case where the individual partial solar cells each have a relatively high reverse voltage resistance.
- the bypass diodes can be particularly easily accessible and/or arranged in a space-saving manner, for example in the area of a frame of the solar module that locally covers the edge of the solar module.
- several 3TT solar cells are arranged laterally next to one another over a first half of the width of the solar module and are electrically connected to a first substring
- several other 3TT solar cells are arranged laterally next to one another and electrically over a second half of the width of the solar module connected to a second substring.
- the first substring and the second substring are connected in parallel to each other.
- the first bypass diode and, if present, the second bypass diode are each spatially arranged between the first substring and the second substring.
- the solar module can be designed with regard to the geometric arrangement of the solar cells accommodated therein in such a way that only a relatively small number of solar cells are connected to form a substring.
- the solar cells connected to form a substring are geometrically arranged side by side in such a way that they only extend over half the width of the solar module.
- Two spatially adjacent substrings can therefore be arranged next to one another across the entire width of the solar module.
- the two substrings are preferably connected in parallel to one another.
- this configuration is particularly suitable for the case that at least some of the sub-solar cells have a relatively low reverse voltage resistance.
- the bypass diodes can therefore be arranged, for example, in or near a geometric center of the solar module.
- a single first bypass diode can be provided for the two substrings connected in parallel to one another, which in turn is connected in parallel to both substrings.
- a separate second bypass diode can be provided for each of the two substrings, with a second bypass diode being connected anti-parallel to the top cell of the last 3TT solar cell in one of the two substrings and a further second bypass diode being connected anti-parallel to the top cell of the last 3TT solar cell in the other of the two substrings is connected.
- the first and, if present, the second bypass diode can be accommodated in a common diode box.
- a diode box can be, for example, a housing in which the bypass diodes can be accommodated and through which the bypass diodes can be protected from environmental influences, for example.
- the number of diode boxes required can be kept low.
- the design of the solar module with regard to the diode boxes to be provided therein can be the same or similar to that of conventional solar modules, in which there is only one bypass diode per solar cell string. Accordingly, the solar modules can be manufactured and/or assembled in the same way as conventional solar modules with regard to their diode boxes.
- the top cell is a perovskite solar cell and the bottom cell is a silicon solar cell.
- Silicon solar cells are known for their longevity, reliability and high efficiency.
- silicon solar cells are commercially available that can reliably deliver an efficiency of well over 20% over a lifetime of 20 years or more.
- the efficiency of silicon solar cells is limited, among other things, by the fact that silicon has a relatively small band gap, so that high-energy light can generally only be converted into electrical energy with relatively high energy losses in the form of heat generation.
- perovskite solar cells have been developed that can now also deliver high levels of efficiency, although longevity and reliability depend heavily on the exact composition of the perovskites used. Perovskites generally have a significantly larger band gap than silicon, for example, so solar cells made from them are ideal for low-loss absorption of high-energy light.
- perovskite solar cells are ideally suited to serve as partners for silicon solar cells in tandem solar cells and to be used there as top cells.
- the exact composition of the perovskites used correlates strongly with their band gap and thus indirectly with the open-circuit voltage supplied by the perovskite solar cell.
- perovskite solar cells can be used as top cells in the 3TT solar cells and can be optimized in terms of their longevity and reliability, for example.
- the electrical voltage of the top cells that arises when illuminated depends on the perovskites used.
- the interconnections within the solar module as well as the number of power input connections and power output connections can then be adjusted as described herein in order to be able to realize a favorable voltage matching between the top cells and the bottom cells within the solar module.
- the bottom solar cell can be a back contact solar cell, in which terminal contacts of both polarities are arranged nested on a rear side of the bottom solar cell directed away from the top solar cell, with one of the terminal contacts of the bottom solar cell acting as the center tap contact.
- Back contact solar cells in which contacts of both polarities are arranged nested on a back side of a semiconductor substrate facing away from the light, have been known for a long time and are sometimes also referred to as IBC solar cells (interdigitated back contact).
- IBC solar cells interdigitated back contact
- Such back contact solar cells can be adapted in such a way that they function as a bottom cell in a tandem solar cell and the two types of contacts not only serve to extract the generated current from the bottom cell, but also one of the Contacts are also electrically connected to the top cell, for example via tunnel contacts, in such a way that the one generated in the top cell is also generated via it together with the top contact Electricity can be extracted.
- the contact mentioned acts as a center tap contact for the 3TT solar cell, but is not arranged spatially in the middle between the top cell and the bottom cell but rather on the back of the bottom cell.
- Corresponding concepts have already been presented, for example in the document [4] cited in the introduction to the description. Because the center tap contact is provided on the back of the bottom cell, it can be manufactured relatively easily and contacted from the outside. This makes it possible to significantly simplify the production of the 3TT solar cells and/or the interconnection of the 3TT solar cells within the solar module.
- Embodiments of the solar modules described herein can be used to build a solar system according to the second aspect of the present invention.
- the property that each solar module has at least two power input connections and/or two power output connections can be used to interconnect adjacent solar modules in such a way that losses such as string end losses, such as those in conventionally designed and connected solar modules with 3TT - Solar cells occur can be largely avoided.
- each of the power output connections of one of the solar modules is electrically connected to an assigned power input connection of the neighboring solar module.
- the first power output of a solar module is connected to the first power input of the neighboring solar module and the second power output of the solar module is connected to the second power input of the neighboring solar module.
- the power input connections of each of the solar modules are electrically separated from one another and the power output connections of each of the solar modules are also electrically separated from one another.
- the at least two power input terminals are electrically short-circuited or connected to one another and/or in a last of the solar modules the at least two power output terminals are electrically short-circuited or connected to one another.
- each of the power input connections of a solar module is electrically connected to only one of the power output connections of the neighboring solar module, but not to the other power input connection of the same solar module or the other power output connection of the neighboring solar module.
- This preferably applies to all solar modules in the solar system with the exception of the first solar module and the last solar module.
- the power input connections of the first solar module and the power output connections of the last solar module are used to connect the entire solar system to a single external circuit. Accordingly, these two “extremal” power input connections and power output connections are electrically connected to one another. Accordingly, final losses cannot be avoided on the first solar module and the last solar module, but are avoided on all solar modules in between.
- Figs. l(a)-(d) illustrate a connection of 2TT solar cells, 4TT solar cells, 3TT solar cells in an s-type configuration and 3 TT solar cells in an r-type configuration.
- Fig. 2(a) shows a schematic sectional view of a 3TT solar cell with a back contact solar cell as a bottom cell in an r-type configuration.
- Fig. 2(b) shows a schematic sectional view of a 3TT solar cell with a back contact solar cell as a bottom cell in an s-type configuration.
- Fig. 3 illustrates a conventional connection of 3TT solar cells in an r-type configuration with end losses occurring.
- FIG. 4 illustrates a circuit in a solar module according to the invention with 3TT solar cells in an r-type configuration, each with two separate power input and output connections and with several first and second bypass diodes.
- Fig. 5 illustrates two solar modules connected to form a solar system according to the invention.
- FIG. 6 illustrates a connection in a solar module according to the invention with 3TT solar cells in an r-type configuration with a bypass diode connected across strings and with three separate current input and output connections to enable a bypass diode to be connected across modules.
- Fig. 7 shows a geometric arrangement and connection of bypass diodes in a solar module according to the invention.
- Fig. 8 shows an alternative geometric arrangement and connection of bypass diodes in a further solar module according to the invention.
- l(a)-(d) are shown as partial areas of a respective solar module (19), offer the possibility of achieving significantly higher efficiencies than solar cells through the absorption of different spectral components in partial solar cells lying one above the other in the form of a top cell 3 and a bottom cell 5 with only one p-n junction.
- the partial solar cells 3, 5 are stacked on top of each other and connected in series to form 2-terminal tandem solar cells 7 (i.e. a cell with two connections or contacts), losses can occur Current mismatch occurs.
- the reasons for this are, on the one hand, that the band gaps of the two partial solar cells 3, 5 are usually not optimally selected due to technological conditions and one partial solar cell generates a higher current than the other. The lower partial cell current then limits the entire current of the 2TT solar cell.
- the band gaps are optimally selected, current mismatch effects can occur, for example due to a change in the irradiated spectrum.
- a tandem solar cell 1 has four connections or contacts, i.e. two connections for each partial solar cell 3, 5 and is therefore referred to as a 4-terminal tandem solar cell 9.
- the respective partial solar cells 3, 5 can work at the optimal operating point.
- all partial solar cells must be processed, contacted and connected separately, which usually means increased effort and optical shading.
- Fig. 1(c) shows a so-called s-type configuration in which the top cell 3 and the bottom cell 5 are polarized in the same direction and thus connected in series.
- Fig. 1(d) shows a so-called r-type configuration in which the top cell 3 and the bottom cell 5 are polarized in the opposite direction, ie “reverse”.
- 3TT solar cell 11 offers the use of a bottom cell 5 as an IBC solar cell with two nested rear contacts and a contact on the front, which enables contact with the top cell 3.
- a concept for such a 3TT solar cell 11 is explained, for example, in the document [4] mentioned in the introduction to the description.
- Figs. 2(a) and 2(b) show embodiments of such a 3TT solar cell 11, wherein the contact arrangement and designation are carried out according to the convention according to Warren et al. (see document [9] mentioned in the introduction to the description). Similar dopings are represented by a similar type of hatching in the figures.
- the 3TT solar cells can be manufactured in different types, which can be classified into "reverse” connection, i.e. as an r-type configuration as shown in Fig. 2(a), and “series” connection, i.e. as an s-type configuration as shown in Fig. 2(b). Due to the simpler connection, the "reverse" variant is mainly discussed below.
- the terminal contacts of the 3TT solar cells 11 are named according to their properties.
- the top contact 13 or T-contact is the only accessible contact on the top cell 3.
- the top contact 13 contacts the side of the top cell 3 facing away from the bottom cell 5.
- the bottom contact 15 or R-contact (for “raiz” or “root”) is the contact of the two rear contacts of the bottom cell 5 with the opposite polarity of the front contact of the bottom cell.
- the bottom contact 15 contacts the side of the bottom cell 5 facing away from the top cell 3.
- the center tap contact 17 or Z-contact (for “additional”) is the rear contact with the same polarity as the front of the bottom cell, i.e. the additional contact for extracting the charge carriers.
- the center tap contact thus electrically contacts a side of the bottom cell 5 which is opposite to the side contacted by the bottom contact 15 and has an opposite polarity relative to it.
- the center tap contact 17 is thus also able to extract charge carriers that were separated in the top cell 3 from the interface between the top cell 3 and the bottom cell 5.
- the center tap contact 17 can be arranged geometrically between the top cell 3 and the bottom cell 5, but in the case of a rear-side contact similar to an IBC solar cell, the center tap contact 17 can alternatively be arranged geometrically on the rear of the bottom cell 5, ie laterally adjacent to the bottom contact 15. and thereby act as electrically connected to the interface between the top cell 3 and the bottom cell 5.
- Figs. 2(a) and 2(b) additionally indicate the electrical voltages prevailing between the various terminal contacts 13, 15, 17.
- Vt op is the voltage generated by the top cell 3
- Vbot is the voltage generated by the bottom cell 5.
- VRT is the voltage present between the bottom contact 15 and the top contact 13
- VZT is the voltage present between the center tap contact 17 and the top contact 13
- VRZ is the voltage present between the bottom contact 15 and the center tap contact 17.
- Advantages of 3TT solar cells include:
- solar modules formed with this can be operated as bifacial tandem modules in the open field, since the top and bottom solar cells do not have to have the same current. This avoids a major market entry hurdle, as the additional yield of tandem modules must not only be compared to monofacial silicon modules but also to bifacial silicon modules. These have an additional yield compared to monofacial PV modules with the same efficiency of approx. 5%-20% depending on the method of use and location;
- the voltage per additional solar cell in a string of solar cells only increases by the voltage of the bottom cell and not by the combined voltage of the bottom plus top cell. This enables more photovoltaic modules per module string and therefore fewer cables are necessary in the system structure.
- 3TT solar cells 11 can be integrated into a solar module 19 through a combination of series and parallel connection. Since the top cells 3 generate a significantly higher voltage than the bottom cells 5, for example a single top cell 3 is connected in parallel to two bottom cells 5. For this purpose, a top contact 13, i.e. a contact of the top cell 3 facing away from the bottom cell 5, is led to a contact of the opposite polarity of the next but one 3TT solar cell 11, which is a center tap contact 17.
- Fig. 3 shows a possible conventional connection of 3TT solar cells 11 in a combination of series and parallel connection for module integration.
- the connectors 25 at each string end ensure that the current generated in the string 21 can be extracted from the string 21.
- both methods are discussed to reduce the string end losses from a module level (with typically approx. 60 cells) or a substring level (typically a 1/3 module with approx. 20 cells) to one System level e.g. a solar system (typically with up to 2000 cells) in order to minimize their relative contribution, as well as an advantageous possibility of integrating bypass diodes.
- embodiments of the invention address the following aspects:
- a module design for modules in the middle and at the ends of strings through the external combination of the contacts e.g. module contacts combined outside the module, e.g. through suitable plugs or connectors.
- FIG. 4 shows an embodiment of a solar module 19 according to the invention, in which 3TT solar cells 11 are wired to one another in a special way and to two power input connections 27 ', 27 "and two power output connections 29 ', 29". Furthermore, at least a first bypass diode 33 and a second bypass diode 35 are provided in each of two substrings 21′, 21′′ shown as examples.
- Fig. 5 illustrates how two solar modules 19 according to the invention can be connected to form a solar system 37 according to the invention. It is noted that real solar systems naturally generally comprise more than two solar modules 19, but that a principle of the wiring is clearly visible in this reduced example.
- Figs. 4 and 5 all string ends of different potentials are led out to terminal contacts in the form of the two current input connections 27 and current output connections 29. This creates the substrings 21', 21" of several neighboring solar modules 19 are connected beyond the physical boundaries of the solar modules 1 to form an overall string.
- Figs. 4 and 5 schematically show the integration of the first bypass diodes 33 and second bypass diodes 35.
- the first bypass diodes 33 (shown running down in the figures) protect the respective substring 21 ', 21' ', similar to a current 2TT solar cell or single junction solar cell solar module. However, the last top cell 3" of each substring 21 ', 21" is not protected and is therefore protected by a separate second diode 35.
- a first strand comprises a first plurality of top cells 3 connected in series, each next to the next, a second strand comprises a second plurality of top cells 3, each connected in series, also connected in series, and a third strand comprises a plurality of top cells 3, each connected in series , each next bottom cell.
- a ratio Vtop / Vbot is an integer ratio ( m: n), which in this specific case is equal to (2:1).
- Fig. 6 shows an alternative embodiment of a solar cell module 1, which differs from the one in Figures in particular with regard to the provision and interconnection of bypass diodes and with regard to the way in which this solar cell module 1 is to be interconnected with neighboring modules. 4 and 5 differs.
- this solar cell module 1 has a bypass diode 34 connected across strings in the middle of the solar module 19. This is on the one hand with a penultimate cell 3TT solar cell 11' "in front of the last 3TT solar cell 11" of the previously adjacent substring 21" and on the other hand with the last Solar cell 11" of the substring 21 'to be secured is connected.
- the bypass diode 34 connected across strings is connected to the bottom contact 15 of the penultimate cell 3TT solar cell 11'' of the previously adjacent substring 21'' on the one hand and to the bottom contact 15 of the last solar cell 11'' of the substring 21' to be secured on the other hand.
- the last solar cell 11" in the previously adjacent substring 21" is connected both to the bypass diode 36 assigned to its substring "and to the cross-string bypass diode 34 assigned to the adjacent substring 21 '.
- its top cell 3'' is also protected, so that a second bypass diode 35, as proposed for the exemplary embodiment in FIG. 4, can be dispensed with.
- this solar cell module 1 has, in addition to the first and second power input connections 27', 27", a further power input connection 27"' and/or, in addition to the first and second power output connections 29', 29", a further power input connection 29"'. Furthermore, the solar module 1 has at least one bypass diode 36, which is connected in such a way that it can protect both 3TT solar cells 11 of the relevant solar module 1 and at least one 3TT solar cell 11 of an adjacent solar module. This bypass diode is therefore also referred to herein as a bypass diode 36 to be connected across modules.
- this bypass diode 36 which is to be connected across modules, is electrically contacted on the one hand with the further power input connection 27"' and on the other hand with the bottom contact 15 of one of the 3TT solar cells 11 in the solar module 1. Furthermore, in addition to the bypass diode 36, which is to be connected across modules, the entire solar module also comprises a further bypass diode, which is connected as a cross-string bypass diode 34 as described above.
- This bypass diode 34 is connected between the center tap contact 17 of the 3TT solar cell 11" of the substring 11" shown on the left in the example, the bottom contact 15 of which is contacted by the cross-module bypass diode 36, and the bottom contact 15" of the last 3 TT solar cell 11" of the substring 21' shown on the left in the example.
- the center tap contact 17" of this last 3 TT solar cell 11" is connected to the further current output connection 29"'.
- the bypass diode 36 which is to be interconnected across modules, can also be the top cell 3" of the last 3TT solar cell 11" in the adjacent solar module 1 secure.
- the provision of one or more second bypass diodes 35 can therefore be dispensed with in this exemplary embodiment.
- Figs. 7 and 8 show possible geometric arrangements of the bypass diodes 33, 35 in respective substrings 21 of a 3TT solar module 19 for 3TT solar cells 11 with high dielectric strength (Fig. 7) and low dielectric strength (Fig. 8).
- FIG. 7 In the embodiment shown in Fig. 7, several 3TT solar cells 11 are arranged in rows across the entire width B of the solar module 19, side by side, with two such rows being electrically connected to form a substring 21' in the example shown.
- the first bypass diode 33 and the second bypass diode 35 are each arranged laterally next to the substring 21'.
- the bypass diodes 33, 35 can be arranged, for example, close to a lateral edge of the solar module 19, for example on or under a frame enclosing the solar module 19 (not shown).
- the squares represent the 3TT solar cells 11.
- the lines 39 along the edge of the 3TT solar cells 11 symbolize a 3-pole connection between the solar cells. A practical solution for this 3-pole connection was explained in [10].
- Vertical hatched dots symbolize a bottom contact 15 (R contact) to the bottom cell 5
- horizontally hatched dots symbolize a top contact 13 (T contact) to the top cell 3
- diagonally hatched dots symbolize a center tap contact 17 (Z contact) of the 3TT solar cell 11.
- the contact diagram for the bypass diodes 33, 35 simple, only the contacts to the geometrically closest 3TT solar cell 11 are shown.
- the terminal contacts are continued to other 3TT solar cells 11 in the string 21.
- This arrangement has two parallel rows of solar cells that are connected in series. This geometric arrangement is suitable for solar cells with high reverse voltage resistance.
- 3TT solar cells 11 are arranged laterally next to one another over a first half B/2 of a width B of the solar module 19 and are electrically connected to a first substring 21 'and several other 3TT solar cells are above a second half of the width of the solar module 19 is arranged side by side and electrically connected to a second substring 21".
- the first substring 21' and the second substring 21" are connected in parallel to each other.
- the first bypass diode 33 and the second bypass diode 35 are each arranged laterally between the first substring 21 ' and the second substring 21 ".
- Such a type of connection is particularly suitable for 3TT solar cells 11 with low reverse voltage resistance.
- the bypass connection for 3TT solar cells 11 with low reverse voltage strength can be carried out in the middle of the module (FIG. 8).
- the 3TT solar cells 11 are virtually connected in series within a double string (symbolized by the surrounding line 39).
- a further connection can be made from the contacts brought out either to the next substring 21 or to the next solar module 19.
- a center contact 17 (Z contact) is picked up by a 3TT solar cell 11 that is not located directly in the middle of the module. This contact is made via a wire connection, which is routed as standard to the next but one top cell 3 for further interconnection. This connection can be used as a power tap.
- the special feature of the geometric arrangement of solar cells 11 and bypass diodes 33, 35 in FIG. 7 is that two of the bypass diodes 33, 35 lying next to a double string 21 are in a common diode box 41 (shown in dashed lines in FIG. 7 for better clarity).
- a common diode box 41 shown in dashed lines in FIG. 7 for better clarity.
- two bypass diodes 33, 35 can be connected in a diode box (not shown in Fig. 8 for better clarity), so that it is again possible to carry out the diode connection using the usual three diode boxes 41 in the middle of the module.
- a first power output connection 29' with a first power input connection 27' and a second power output connection 29" with a second power input connection 27" of an adjacent solar module 19 must be connected via a two-wire connection, i.e. for example with a two-wire cable or with two cables, connected in series.
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
SOLARMODUL MIT 3 -TERMINAL-TANDEM-SOLARZELLEN SOLAR MODULE WITH 3-TERMINAL TANDEM SOLAR CELLS
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul mit Tandem-Solarzellen. The present invention relates to a solar module with tandem solar cells.
TECHNISCHER HINTERGRUND TECHNICAL BACKGROUND
Solarmodule dienen dazu, Licht, wie es insbesondere von der Sonne eingestrahlt wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Solche Solarmodule werden auch als Photovoltaikmodule oder PV-Module bezeichnet. Ein Solarmodul umfasst dabei eine Vielzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Solarzellen. Das Solarmodul verfügt herkömmlich ferner über einen Stromeingangsanschluss und einen Stromausgangsanschluss, um das Solarmodul mit weiteren Solarmodulen in Serie und/oder parallel zu einer Solaranlage verschalten zu können und um letztendlich die in dem Solarmodul erzeugte elektrische Energie einem externen Stromkreis mit darin verschalteten Verbrauchern Zufuhren zu können. Solar modules are used to convert light, particularly that emitted by the sun, into electrical energy. Such solar modules are also referred to as photovoltaic modules or PV modules. A solar module comprises a large number of solar cells connected in series and/or parallel. The solar module also conventionally has a power input connection and a power output connection in order to be able to connect the solar module with other solar modules in series and/or parallel to form a solar system and ultimately to be able to supply the electrical energy generated in the solar module to an external circuit with consumers connected to it.
Herkömmlich wurden in Solarmodulen typischerweise Solarzellen eingesetzt, bei denen Ladungsträgerpaare, die durch Absorption von einfallendem Licht generiert wurden, an einem einzelnen beispielsweise durch einen pn-Übergang erzeugten Potenzialunterschied getrennt werden. Eine Leistung bzw. ein Wirkungsgrad der Solarzellen hängt dabei unter anderem von dem Potenzialunterschied und somit von dem zur Erzeugung des Potenzialunterschieds eingesetzten (Halbleiter-)Material ab. Dabei ist der Wirkungsgrad der Solarzellen unter anderem dadurch limitiert, dass, abhängig von einer Bandlücke des eingesetzten Halbleitermaterials, ein niederenergetischer Anteil des eingestrahlten Lichts nicht absorbiert werden kann und ein hochenergetischer Anteil nur mit erheblichen Energieverlusten in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu steigern, wurden Solarzellen entwickelt, bei denen zwei oder mehr Teilsolarzellen übereinandergestapelt sind. Solche Solarzellen werden als Tandemsolarzellen oder manchmal auch als Mehrfachsolarzellen oder Stapelsolarzellen bezeichnet. Die beiden Teilsolarzellen unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihrer Materialien und somit hinsichtlich ihrer Bandlücken. Eine dem einfallenden Licht zugewandte Teilsolarzelle, welche auch als Topzelle bezeichnet wird, weist hierbei typischerweise eine größere Bandlücke auf und ist somit dazu ausgelegt, einen hochenergetischen Anteil des eingestrahlten Lichts mit verhältnismäßig wenig Energieverlusten zu absorbieren und umzuwandeln. Eine darunter angeordnete weitere Teilsolarzelle, welche auch als Bottomzelle bezeichnet wird, weist dann eine geringere Bandlücke auf und ist somit dazu ausgelegt, einen niederenergetischen Anteil des eingestrahlten Lichts verhältnismäßig verlustarm zu absorbieren und umzuwandeln. Traditionally, solar cells have typically been used in solar modules, in which pairs of charge carriers that were generated by absorption of incident light are separated at a single potential difference generated, for example, by a pn junction. The performance or efficiency of the solar cells depends, among other things, on the potential difference and thus on the (semiconductor) material used to generate the potential difference. The efficiency of the solar cells is limited, among other things, by the fact that, depending on a band gap of the semiconductor material used, a low-energy portion of the irradiated light cannot be absorbed and a high-energy portion can only be converted into electrical energy with considerable energy losses. In order to increase the efficiency of solar cells, solar cells were developed in which two or more partial solar cells are stacked on top of each other. Such solar cells are referred to as tandem solar cells or sometimes as multi-junction solar cells or stacked solar cells. The two partial solar cells differ in terms of their materials and therefore their band gaps. A partial solar cell facing the incident light, which is also referred to as a top cell, typically has a larger band gap and is therefore designed to absorb and convert a high-energy portion of the incident light with relatively little energy loss. A further partial solar cell arranged underneath, which is also referred to as a bottom cell, then has a smaller band gap and is therefore designed to absorb and convert a low-energy portion of the irradiated light with relatively little loss.
Tandemsolarzellen sind vorzugsweise monolithisch aufgebaut. Das heißt, dass eine Tandemsolarzelle als einzelnes Bauteil ausgestaltet ist, bei dem alle Komponenten wie beispielsweise verschiedene Halbleiterschichten sowie Kontakte fest miteinander verbunden sind. Hierzu können beispielsweise mehrere Schichten ganzflächig und/oder in Teilbereichen übereinander abgeschieden werden. Dabei weist die Tandemsolarzelle mindestens zwei, wie nachfolgend erläutert bei einigen Implementierungen jedoch auch drei, vier oder mehr Terminalkontakte auf. Unter einem Terminalkontakt wird dabei ein an der Tandemsolarzelle von außen her zugänglicher elektrischer Kontakt verstanden, über den die Solarzelle oder ihre Teilsolarzellen mit anderen Solarzellen oder deren Teilsolarzellen elektrisch verschaltet werden kann. Tandem solar cells are preferably monolithic. This means that a tandem solar cell is designed as a single component in which all components, such as various semiconductor layers and contacts, are firmly connected to one another. For this purpose, several layers can be deposited on top of one another over the entire surface and/or in partial areas. The tandem solar cell has at least two terminal contacts, but in some implementations, as explained below, three, four or more terminal contacts. A terminal contact is understood to be an electrical contact on the tandem solar cell that is accessible from the outside and via which the solar cell or its partial solar cells can be electrically connected to other solar cells or their partial solar cells.
Dabei sind für Tandemsolarzellen verschiedene Verschaltungskonfigurationen bekannt. Various wiring configurations are known for tandem solar cells.
Sogenannte 2-Terminal-Tandemsolarzellen, auch als 2TT-Solarzellen bezeichnet, verfugen über lediglich zwei Terminalkontakte, wobei typischerweise ein sogenannter Topkontakt an einer Frontseite und ein sogenannter Bottomkontakt an einer Rückseite der Tandemsolarzelle vorgesehen sind. Solche 2TT-Solarzellen sind in einem Solarmodul einfach, d.h. im Wesentlichen wie herkömmliche Nicht-Tandem-Solarzellen, zu verschalten. Allerdings führt die Tatsache, dass ein Gesamtstrom, der durch die 2TT-Solarzelle strömt, für beide Teilsolarzellen gleich groß sein muss, dazu, dass dieser durch die schwächere der beiden Teilsolarzellen begrenzt wird. Dementsprechend kommt es regelmäßig zu Verlusten durch Stromfehlanpassung. Ursache hierfür kann einerseits sein, dass die Bandlücken der beiden Teilsolarzellen bedingt durch technologische Rahmenbedingungen nicht optimal gewählt sind und eine Teilsolarzelle einen höheren Strom generiert als die andere, wobei der niedrigere Strom der schwächeren Teilsolarzelle dann den Gesamtstrom der Tandemsolarzelle limitiert. Andererseits kann es auch bei optimaler Wahl der Bandlücken durch eine Veränderung des eingestrahlten Lichtspektrums zu Stromfehlanpassungseffekten kommen. So-called 2-terminal tandem solar cells, also referred to as 2TT solar cells, have only two terminal contacts, with a so-called top contact typically being provided on a front side and a so-called bottom contact on a back side of the tandem solar cell. Such 2TT solar cells are easy to connect in a solar module, i.e. essentially like conventional non-tandem solar cells. However, the fact that a total current that flows through the 2TT solar cell must be the same for both partial solar cells means that this is limited by the weaker of the two partial solar cells. Accordingly, losses due to current mismatch occur regularly. The reason for this can be, on the one hand, that the band gaps of the two partial solar cells are caused by technological framework conditions are not optimally chosen and one partial solar cell generates a higher current than the other, with the lower current of the weaker partial solar cell then limiting the total current of the tandem solar cell. On the other hand, even if the band gaps are optimally selected, current mismatch effects can occur due to a change in the irradiated light spectrum.
Verluste durch Stromfehlanpassungen können weitestgehend vermieden werden, wenn die einzelnen Teilsolarzellen der Tandemsolarzellen separat kontaktiert und verschaltet werden können. Hierzu kann eine Tandemsolarzelle über vier Terminalkontakte verfügen, d.h. als sogenannte 4TT-Solarzelle ausgebildet sein. Jede einzelne Teilsolarzelle besitzt hierbei ihre eigenen beiden Terminalkontakte und kann daher unabhängig von der anderen Teilsolarzelle in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Allerdings müssen hierfür alle Teilsolarzellen separat prozessiert, kontaktiert und verschaltet werden, wodurch ein erhöhter Aufwand benötigt sein sowie eine erhöhte optische Verschattung auftreten können. Losses due to current mismatches can be largely avoided if the individual solar cells of the tandem solar cells can be contacted and connected separately. For this purpose, a tandem solar cell can have four terminal contacts, i.e. be designed as a so-called 4TT solar cell. Each individual partial solar cell has its own two terminal contacts and can therefore be operated at its optimal operating point independently of the other partial solar cell. However, all partial solar cells must be processed, contacted and connected separately, which requires increased effort and increased optical shading can occur.
Quasi als Mittelweg zwischen den 2TT-Solarzellen und den 4TT-Solarzellen wurden Tandemsolarzellen mit drei Terminalkontakten entwickelt, die dementsprechend als 3TT- Solarzellen bezeichnet werden. Ergänzend zu einem Topkontakt und einem Bottomkontakt verfügen 3TT-Solarzellen über einen zusätzlichen Terminalkontakt, welcher als Mittenabgriffkontakt bezeichnet wird. Der Mittenabgriffkontakt kontaktiert sowohl die Topzelle als zweiter Terminalkontakt ergänzend zu dem Topkontakt als auch die Bottomzelle als zweiter Terminalkontakte ergänzend zu dem Bottomkontakt. Hierdurch erlauben 3TT-Solarzellen einerseits eine elektrische Verschaltung innerhalb eines Solarmoduls, bei der Verluste durch Fehlanpassungen des Stromes deutlich reduziert werden können. Andererseits kann eine Verschaltung der 3TT-Solarzellen innerhalb des Moduls weniger aufwendig sein als bei 4TT- Solarzellen und/oder Verluste durch optische Verschattung aufgrund einer Vielzahl von Terminalkontakten können geringer ausfallen als bei 4TT-Solarzellen. As a sort of middle ground between the 2TT solar cells and the 4TT solar cells, tandem solar cells with three terminal contacts were developed, which are accordingly referred to as 3TT solar cells. In addition to a top contact and a bottom contact, 3TT solar cells have an additional terminal contact, which is referred to as a center tap contact. The center tap contact contacts both the top cell as a second terminal contact in addition to the top contact and the bottom cell as a second terminal contact in addition to the bottom contact. On the one hand, 3TT solar cells allow electrical interconnection within a solar module, in which losses due to mismatches in the current can be significantly reduced. On the other hand, connecting the 3TT solar cells within the module can be less complex than with 4TT solar cells and/or losses due to optical shading due to a large number of terminal contacts can be lower than with 4TT solar cells.
3TT-Solarzellen und damit aufgebaute Solarmodule werden seit langem sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Überlegungen und Erkenntnisse zu deren internem Aufbau sowie deren Anordnung und Verschaltung in Solarmodulen sind unter anderem in den nachfolgend aufgeführten Dokumenten dargelegt, die im nachfolgenden Text teilweise referenziert werden: [1] Sakai, S. and Umeno, M., “Theoretical analysis of new wavelength-division solar cells,” Journal of Applied Physics, vol. 51, no. 9, pp. 5018-5024, 1980. [2] Gee, J. M., “A comparison of different module configurations for multi-band-gap solar cells,” Solar Cells, vol. 24, no. 1-2, pp. 147-155, 1988. 3TT solar cells and solar modules constructed with them have been studied both theoretically and experimentally for a long time. Considerations and findings on their internal structure as well as their arrangement and interconnection in solar modules are presented, among others, in the documents listed below, some of which are referenced in the following text: [1] Sakai, S. and Umeno, M., “Theoretical analysis of new wavelength-division solar cells,” Journal of Applied Physics, vol. 51, no. 9, pp. 5018-5024, 1980. [2] Gee, JM, “A comparison of different module configurations for multi-band-gap solar cells,” Solar Cells, vol. 24, no. 1-2, pp. 147-155, 1988.
[3] Jimeno, J. C., Gutierrez, R., Fano, V., Habib, A., del Canizo, C., Rasool, M. A., and Otaegi, A., “A 3 terminal parallel connected silicon tandem solar cell,” Energy Procedia, vol. 92, pp. 644-651, 2016. [3] Jimeno, J.C., Gutierrez, R., Fano, V., Habib, A., del Canizo, C., Rasool, M.A., and Otaegi, A., “A 3 terminal parallel connected silicon tandem solar cell,” Energy Procedia, vol. 92, pp. 644-651, 2016.
[4] Nagashima, T., Okumura, K., Murata, K., and Kimura, Y., “Three-terminal tandem solar cells with a back-contact type bottom cell,” 2000. In Proceedings of the 28th IEEE PVSC, 1193-96. http://ieeexplore.ieee. org/servlet/opac?punumber=7320. [4] Nagashima, T., Okumura, K., Murata, K., and Kimura, Y., “Three-terminal tandem solar cells with a back-contact type bottom cell,” 2000. In Proceedings of the 28th IEEE PVSC , 1193-96. http://ieeexplore.ieee. org/servlet/opac?punumber=7320.
[5] McMahon, William; Schulte-Huxel, Henning; Buencuerpo, Jeronimo; Geisz, John; Young, Michelle; Klein, Talysa et al. (2021): Homogenous Voltage-Matched Strings Using Three- Terminal Tandem Solar Cells: Fundamentals and End Losses. In: IEEE J. Photovoltaics 11 (4), S. 1078-1086. DOI: 10.1109/JPHOTOV.2021.3068325. [5] McMahon, William; Schulte-Huxel, Henning; Buencuerpo, Jeronimo; Geisz, John; Young, Michelle; Klein, Talysa et al. (2021): Homogenous Voltage-Matched Strings Using Three-Terminal Tandem Solar Cells: Fundamentals and End Losses. In: IEEE J. Photovoltaics 11 (4), pp. 1078-1086. DOI: 10.1109/JPHOTOV.2021.3068325.
[6] Jimeno Cuesta, J., Luque Lopez, A., Recart Baranano, F., Lago Aurrekoetxea, R, Gutierrez Serrano, R, Varner, K., Ikaran Salegi, C. et al. “Photovoltaic device and photovoltaic panel,” WO/2011/045462, filed Oct. 14, 2010, issued Apr. 21, 2011. [6] Jimeno Cuesta, J., Luque Lopez, A., Recart Baranano, F., Lago Aurrekoetxea, R, Gutierrez Serrano, R, Varner, K., Ikaran Salegi, C. et al. “Photovoltaic device and photovoltaic panel,” WO/2011/045462, filed Oct. 14, 2010, issued Apr. 21, 2011.
[7] Borden, P. G. “Three-terminal solar cell circuit,” US4513168 A, filed 19.04.1984, issued 23.04.1985. [7] Borden, P. G. “Three-terminal solar cell circuit,” US4513168 A, filed April 19, 1984, issued April 23, 1985.
[8] H. Uzu, G. Koizumi, “SOLAR CELL MODULE”, WO/2020/196288, 19.03.2020, issued 01.10.2020. [8] H. Uzu, G. Koizumi, “SOLAR CELL MODULE”, WO/2020/196288, March 19, 2020, issued October 1, 2020.
[9] E. L. Warren et al., “A taxonomy for three-terminal tandem solar cells,” ACS Energy Lett., vol. 5, no. 4, pp. 1233-1242, Apr. 2020 [9] E. L. Warren et al., “A taxonomy for three-terminal tandem solar cells,” ACS Energy Lett., vol. 5, no. 4, pp. 1233-1242, Apr. 2020
[10] M. Zehender et al., “Module interconnection for the three-terminal heterojunction bipolar transistor solar cell”, AIP Conference Proceedings 2012, 040013 (2018); https://doi.org/10.1063/L5053521, Published Online: 13 September 2018 [10] M. Zehnder et al., “Module interconnection for the three-terminal heterojunction bipolar transistor solar cell,” AIP Conference Proceedings 2012, 040013 (2018); https://doi.org/10.1063/L5053521, Published Online: September 13, 2018
[11] H. Schulte-Huxel et al., “String-Level Modelling of Two, Three, and Four Terminal Si- Based Tandem Modules”, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 8, NO. 5, SEPTEMBER 2018, p. 1370 - 1375 [11] H. Schulte-Huxel et al., “String-Level Modeling of Two, Three, and Four Terminal Si-Based Tandem Modules,” IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 8, NO. 5, SEPTEMBER 2018, p. 1370 - 1375
[12] R. Witteck et al., “Partial shading of one solar cell in a photovoltaic module with 3 -terminal cell interconnection”, Solar Energy Materials & Solar Cells 219 (2021) 110811 [12] R. Witteck et al., “Partial shading of one solar cell in a photovoltaic module with 3-terminal cell interconnection,” Solar Energy Materials & Solar Cells 219 (2021) 110811
Es wurde beobachtet, dass Wirkungsgrade bzw. Leistungsausbeuten bei Solarmodulen, die mit 3TT-Solarzellen aufgebaut sind, suboptimal sein können, d.h. insbesondere geringer sein können, als dies aufgrund der Wirkungsgrade der einzelnen Solarzellen und der Anzahl an Solarzellen in einem Solarmodul zu erwarten wäre. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VON AUSFÜHRUNGSFORMEN It has been observed that efficiencies or power yields in solar modules constructed with 3TT solar cells can be suboptimal, ie in particular they can be lower than would be expected based on the efficiencies of the individual solar cells and the number of solar cells in a solar module. SUMMARY OF THE INVENTION AND EMBODIMENTS
Es kann daher ein Bedürfnis an Solarmodulen bestehen, welche höhere Wirkungsgrade bzw. Leistungsausbeuten ermöglichen. Insbesondere kann ein Bedürfnis an Solarmodulen auf Basis von 3TT-Solarzellen bestehen, bei denen ein hoher Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen aufgrund einer geeignet gewählten Konfiguration der Solarzellen innerhalb des Solarmoduls zu einem hohen Wirkungsgrad des gesamten Solarmoduls führt. Ferner kann ein Bedürfnis an einer hocheffizienten Solaranlage mit solchen Solarmodulen bestehen. There may therefore be a need for solar modules that enable higher efficiencies or power outputs. In particular, there may be a need for solar modules based on 3TT solar cells, in which a high efficiency of the individual solar cells leads to a high efficiency of the entire solar module due to a suitably selected configuration of the solar cells within the solar module. Furthermore, there may be a need for a highly efficient solar system with such solar modules.
Die genannten Bedürfnisse können zumindest teilweise mit dem Gegenstand eines der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren angegeben. The stated needs can be at least partially met with the subject matter of one of the independent claims of the present application. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims as well as the following description and the figures.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Solarmodul beschrieben, welches mehrere 3TT-Solarzellen sowie wenigstens zwei Stromeingangsanschlüsse an einem Stromeingang des Moduls und/oder wenigstens zwei Stromausgangsanschlüsse an einem Stromausgang des Moduls aufweist. Die 3TT-Solarzellen sind hierbei miteinander zu zumindest einem String verschaltet. Jede 3TT-Solarzelle weist einen Stapel mit einer Topzelle und einer darunter angeordneten Bottomzelle auf, wobei die Topzelle und die Bottomzelle sich voneinander bezüglich einer bei Lichteinstrahlung erzeugten elektrischen Spannung unterscheiden. Jede 3TT-Solarzelle weist drei Terminalkontakte mit einem Topkontakt, welcher eine von der Bottomzelle abgewandte Seite der Topzelle elektrisch kontaktiert, einem Bottomkontakt, welcher eine von der Topzelle abgewandte Seite der Bottomzelle elektrisch kontaktiert, und einem Mittenabgriffkontakt, welcher die 3TT-Solarzelle an einer Grenzfläche zwischen der Topzelle und der Bottomzelle elektrisch kontaktiert, auf. Ein erster der Stromeingangsanschlüsse ist zumindest mit einem der Terminalkontakte einer dem Stromeingang nächstliegenden ersten der 3TT-Solarzellen verbunden und ein zweiter der Stromeingangsanschlüsse ist zumindest mit einem der Terminalkontakte einer der ersten 3TT- Solarzelle benachbarten zweiten der 3TT-Solarzellen verbunden. Ferner ist ein erster der Stromausgangsanschlüsse zumindest mit einem der Terminalkontakte einer dem Stromausgang nächstliegenden letzten der 3TT-Solarzellen verbunden und ein zweiter der Stromausgangsanschlüsse ist zumindest mit einem der Terminalkontakte einer der letzten 3TT- Solarzelle benachbarten vorletzten der 3TT-Solarzellen verbunden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solaranlage beschrieben, welche mehrere Solarmodule gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung aufweist, wobei bei benachbarten der Solarmodule jeweils jeder der Stromausgangsanschlüsse eines der Solarmodule mit einem zugeordneten der Stromeingangsanschlüsse des benachbarten der Solarmodule elektrisch verbunden ist. According to a first aspect of the present invention, a solar module is described which has a plurality of 3TT solar cells and at least two power input connections on a power input of the module and/or at least two power output connections on a power output of the module. The 3TT solar cells are connected to each other to form at least one string. Each 3TT solar cell has a stack with a top cell and a bottom cell arranged underneath, the top cell and the bottom cell differing from each other in terms of an electrical voltage generated when irradiated with light. Each 3TT solar cell has three terminal contacts with a top contact, which electrically contacts a side of the top cell facing away from the bottom cell, a bottom contact, which electrically contacts a side of the bottom cell facing away from the top cell, and a center tap contact, which connects the 3TT solar cell to an interface electrically contacted between the top cell and the bottom cell. A first of the power input connections is connected to at least one of the terminal contacts of a first of the 3TT solar cells closest to the power input and a second of the power input connections is connected to at least one of the terminal contacts of a second of the 3TT solar cells adjacent to the first 3TT solar cell. Furthermore, a first of the current output connections is connected to at least one of the terminal contacts of a last of the 3TT solar cells closest to the current output and a second of the current output connections is connected to at least one of the terminal contacts of a penultimate of the 3TT solar cells adjacent to the last 3TT solar cell. According to a second aspect of the present invention, a solar system is described which has a plurality of solar modules according to an embodiment of the first aspect of the invention, with each of the power output connections of one of the solar modules being electrically connected to an assigned power input connection of the adjacent one of the solar modules in neighboring solar modules.
Einleitend soll eine Grundidee zu Ausfiihrungsformen der hierin beschriebenen Erfindung kurz erläutert werden, wobei diese Erläuterung als lediglich grob zusammenfassend und die Erfindung nicht einschränkend auszulegen ist: In the introduction, a basic idea for embodiments of the invention described herein will be briefly explained, whereby this explanation is to be interpreted as merely a rough summary and not restrictive of the invention:
Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere ein Solarmodul, bei dem aufgrund einer speziellen Art der Anordnung und Verschaltung der darin aufgenommenen 3TT-Solarzellen Verluste, insbesondere sogenannte String-End- Verluste, wie sie bei herkömmlichen Solarmodulen, bei denen die 3TT-Solarzellen in konventioneller Weise angeordnet und verschaltet sind, auftreten, weitgehend vermieden werden können. Wie weiter unten in genaueren Einzelheiten ausgeführt, kann dabei ein Hauptmerkmal des hierin vorgestellten Solarmoduls darin gesehen werden, dass das Solarmodul nicht wie bei herkömmlichen Solarmodulen meist üblich über lediglich einen einzelnen Stromeingangsanschluss und einen einzelnen Stromausgangsanschluss verfügt, sondern jeweils zwei oder mehr solche Stromeingangsanschlüsse und Stromausgangsanschlüsse aufweist und dabei diese Anschlüsse in einer spezifischen Weise mit den 3TT-Solarzellen innerhalb des Solarmoduls verschaltet sind. Aufgrund der speziellen Art der Verschaltung und der Mehrzahl von Stromeingangsanschlüssen und Stromausgangsanschlüssen wird dabei ermöglicht, dass String -End- Verluste durch Teilsolarzellen, die aufgrund der Verschaltung nicht bzw. nicht in optimalem Maße zu dem Wirkungsgrad des Moduls beitragen, nicht mehr an jedem verschalteten Solarzellenstring, d.h. mindestens einmal in jedem Solarmodul, verursacht werden. Stattdessen kann eine Vielzahl von Solarmodulen derart miteinander verschaltet werden, dass entsprechende End-Verluste lediglich einmalig in der gesamten Vielzahl von Solarmodulen verursacht werden und somit einen erheblich geringeren reduzierenden Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad einer Solaranlage haben. Außerdem wird eine Ausgestaltung eines Solarmoduls mit 3TT-Solarzellen beschrieben, bei der eine geeignete Verschaltung von Bypassdioden den zuverlässigen Betrieb des Solarmoduls absichert und gleichzeitig die Vermeidung der zuvor genannten End-Verluste ermöglicht. Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen und Vorteile von Ausfuhrungsformen des Solarmoduls sowie eines Verfahrens zu dessen Fertigung in genaueren Einzelheiten beschrieben: The present invention describes in particular a solar module in which, due to a special type of arrangement and interconnection of the 3TT solar cells accommodated therein, losses, in particular so-called string-end losses, such as those in conventional solar modules in which the 3TT solar cells are arranged in a conventional manner and are connected, occur, can largely be avoided. As explained in more detail below, a main feature of the solar module presented here can be seen in the fact that the solar module does not only have a single power input connection and a single power output connection, as is usually the case with conventional solar modules, but rather two or more such power input connections and power output connections and these connections are connected in a specific way to the 3TT solar cells within the solar module. Due to the special type of interconnection and the plurality of current input connections and current output connections, it is no longer possible for string end losses due to partial solar cells, which due to the interconnection do not contribute to the efficiency of the module or do not contribute to an optimal extent to the efficiency of the module, to occur on every interconnected solar cell string , ie at least once in every solar module. Instead, a large number of solar modules can be interconnected in such a way that corresponding end losses are only caused once in the entire large number of solar modules and thus have a significantly smaller reducing influence on the overall efficiency of a solar system. In addition, an embodiment of a solar module with 3TT solar cells is described, in which a suitable connection of bypass diodes ensures the reliable operation of the solar module and at the same time enables the aforementioned end losses to be avoided. Possible configurations and advantages of embodiments of the solar module and a method for producing it are described in more detail below:
Ein Solarmodul, wie es hier beschrieben ist, umfasst eine Vielzahl von Solarzellen in Form von 3TT-Solarzellen. Beispielsweise umfasst das Solarmodul typischerweise mehr als zehn Solarzellen, meist mehr als 50 Solarzellen, im Regelfall jedoch weniger als 300 Solarzellen, meist weniger als 150 Solarzellen. Jede einzelne Solarzelle ist eine flächig ausgebildete Diode, wobei eine Fläche typischerweise zwischen 10 cm2 und 1000 cm2, meist zwischen 100 cm2 und 500 cm2 beträgt. Eine Dicke einer Solarzelle liegt typischerweise im Bereich von zwischen 10 pm und 1000 pm, meist zwischen 50 pm und 400 pm. Zumindest ein Teil der Solarzelle kann auf Basis eines kristallinen, das heißt monokristallinen, multikristallinen oder polykristallinen, Halbleitersubstrats wie beispielsweise eines Siliziumwafers ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann ein Teil der Solarzelle mit amorphem Halbleitermaterial ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Dünnschichten. A solar module as described here includes a large number of solar cells in the form of 3TT solar cells. For example, the solar module typically comprises more than ten solar cells, usually more than 50 solar cells, but usually less than 300 solar cells, usually less than 150 solar cells. Each individual solar cell is a flat diode, with an area typically between 10 cm 2 and 1000 cm 2 , usually between 100 cm 2 and 500 cm 2 . A thickness of a solar cell is typically in the range between 10 pm and 1000 pm, usually between 50 pm and 400 pm. At least part of the solar cell can be formed on the basis of a crystalline, that is to say monocrystalline, multicrystalline or polycrystalline, semiconductor substrate such as a silicon wafer. Alternatively or additionally, part of the solar cell can be formed with amorphous semiconductor material, for example in the form of one or more thin layers.
Die Solarzellen sind zu einem oder mehreren Strings verschaltet. Dabei können die gesamten Solarzellen oder die diese Solarzellen bildenden Teilsolarzellen in Serie und/oder parallel zueinander verschaltet sein. Als String wird hierbei eine kleinste Einheit aus einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Solarzellen verstanden, wobei das gesamte Solarmodul mehrere solche miteinander seriell und/oder parallel verschaltete Strings umfassen kann. Eine Anzahl von Solarzellen, die in einem String zusammengefasst sind, kann hierbei von verschiedenen Einflussfaktoren abhängen. Insbesondere wird diese Anzahl typischerweise derart gewählt, dass eine von dem String bei Beleuchtung erzeugte elektrische Spannung nicht eine Reversespannungsfestigkeit jeder einzelnen der Solarzellen in dem String übersteigt. Typischerweise umfassen solche Strings zwischen drei und 50 in Serie geschalteter Solarzellen, meist zwischen sechs und 30 in Serie geschalteter Solarzellen. The solar cells are connected to one or more strings. The entire solar cells or the partial solar cells forming these solar cells can be connected in series and/or parallel to one another. A string here is understood to be a smallest unit made up of a plurality of solar cells connected to one another, whereby the entire solar module can comprise several such strings connected to one another in series and/or parallel. A number of solar cells that are combined in a string can depend on various influencing factors. In particular, this number is typically chosen such that an electrical voltage generated by the string when illuminated does not exceed a reverse voltage strength of each of the solar cells in the string. Typically, such strings comprise between three and 50 solar cells connected in series, usually between six and 30 solar cells connected in series.
Die in dem Solarmodul verbauten 3TT-Solarzellen setzen sich aus einer ersten Teilsolarzelle und einer zweiten Teilsolarzelle zusammen. Die erste Teilsolarzelle ist an einer im Einsatz dem einfallenden Licht zugewandten Seite der Solarzelle angeordnet, welche als obere Seite angesehen wird, weswegen diese erste Teilsolarzelle als Topzelle bezeichnet wird. Die zweite Teilsolarzelle ist unterhalb der ersten Teilsolarzelle angeordnet und wird daher als Bottomzelle bezeichnet. Jede der Teilsolarzellen kann ihrerseits über einen einzelnen pn-Übergang oder bei Anwendung spezieller Zellkonzepte über mehrere pn-Übergänge, die vorzugsweise entlang der Lichteinfallsrichtung hintereinander liegen, verfügen. The 3TT solar cells installed in the solar module consist of a first partial solar cell and a second partial solar cell. The first partial solar cell is arranged on a side of the solar cell that faces the incident light during use, which is considered to be the upper side, which is why this first partial solar cell is referred to as the top cell. The second partial solar cell is arranged below the first partial solar cell and is therefore referred to as the bottom cell. Each of the partial solar cells can in turn be connected via a single pn junction or Application of special cell concepts with several pn junctions, which are preferably located one behind the other along the direction of light incidence.
Die Topzelle und die Bottomzelle unterscheiden sich hinsichtlich der sie bildenden Halbleitermaterialien. Beispielsweise weist das Halbleitermaterial der Topzelle typischerweise eine größere Energiebandlücke auf als dasjenige der Bottomzelle, wobei sich die beiden Bandlücken beispielsweise um mehr als 20 %, vorzugsweise mehr als 40 % oder sogar mehr als 80 % betragsmäßig voneinander unterscheiden können. Aufgrund der unterschiedlichen Bandlücken stellen sich in den beiden Teilsolarzellen an einem jeweils darin durch geeignete lokale Dotierung gebildeten Potenzialunterschied (beispielsweise aufgrund eines jeweiligen pn- Übergangs) bei Beleuchtung unterschiedliche elektrische Spannungen ein. Anders ausgedrückt unterscheiden sich bei der Topzelle und der Bottomzelle die Leerlaufspannungen (welche teilweise auch als Offene-Klemmen-Spannungen Voc bezeichnet werden) erheblich. Beispielsweise kann die Voc der Topzelle um 30% oder mehr, um 50 % oder mehr oder sogar um 100 % oder mehr größer sein als diejenige der Bottomzelle. The top cell and the bottom cell differ in terms of the semiconductor materials that form them. For example, the semiconductor material of the top cell typically has a larger energy band gap than that of the bottom cell, with the two band gaps being able to differ in magnitude from one another by, for example, more than 20%, preferably more than 40% or even more than 80%. Due to the different band gaps, different electrical voltages arise in the two partial solar cells when illuminated at a potential difference formed therein by suitable local doping (for example due to a respective pn junction). In other words, the open-circuit voltages (which are sometimes also referred to as open-terminal voltages Voc) differ significantly in the top cell and the bottom cell. For example, the Voc of the top cell may be 30% or more, 50% or more, or even 100% or more greater than that of the bottom cell.
Jede 3TT-Solarzelle umfasst genau drei Terminalkontakte, über die sie mit anderen 3TT- Solarzellen verschaltet ist. Ein Terminalkontakt ist hierbei im Allgemeinen durch eine an der Solarzelle angebrachte bzw. in die Solarzelle integrierte elektrisch leitende Schicht wie beispielsweise eine Metallschicht gebildet. Ein Terminalkontakt kann hierbei mit einer einzelnen Schicht gebildet sein, der Terminalkontakte kann aber auch aus einer Mehrzahl von Teilbereichen bzw. Teilschichten zusammengesetzt sein. Each 3TT solar cell has exactly three terminal contacts through which it is connected to other 3TT solar cells. A terminal contact is generally formed by an electrically conductive layer, such as a metal layer, which is attached to the solar cell or integrated into the solar cell. A terminal contact can be formed with a single layer, but the terminal contact can also be composed of a plurality of sub-areas or sub-layers.
Die drei Terminalkontakte können gemäß einer Konvention, wie sie von Warren et al. (siehe Dokument [9] in der in der Beschreibungseinleitung genannten Liste von Dokumenten) eingeführt wurde, bezeichnet sein. Ein erster Kontakt ist hierbei typischerweise an einer dem einfallenden Licht zugewandten Frontseiten-Oberfläche der Solarzelle angeordnet und kontaktiert diejenige Seite der Topzelle, die von der Bottomzelle abgewandt ist, elektrisch (wobei unter „elektrisch kontaktieren“ hierin im Allgemeinen ein direkter elektrischer Kontakt, d.h. ohne Zwischenschaltung anderer elektrischer Bauelemente, verstanden werden soll, d.h. insbesondere ein ohmscher Kontakt). Der erste Kontakt wird hierin als Topkontakt bezeichnet, kann aber gemäß der Konvention von Warren auch als T-Kontakt (mit „T“ für top) bezeichnet werden. Ein zweiter Kontakt ist typischerweise an einer dem einfallenden Licht abgewandten Rückseiten- Oberfläche der Solarzelle angeordnet und kontaktiert diejenige Seite der Bottomzelle elektrisch, welche von der Topzelle abgewandt ist. Der zweite Kontakt wird hierin als Bottomkontakt bezeichnet, kann aber gemäß der Konvention von Warren auch als R-Kontakt (mit „R“ für raiz oder root) bezeichnet werden. Ein dritter Kontakt kann beispielsweise in einer Ebene zwischen der Topzelle und der Bottomzelle angeordnet sein. Wie weiter unten detaillierter angegeben, kann der dritte Kontakt räumlich jedoch auch an der Rückseiten-Oberfläche der Solarzelle angeordnet sein, wobei die Bottomzelle und der dritte Kontakt derart ausgestaltet sein können, dass über den dritten Kontakt ein an einer Grenzfläche zwischen der Topzelle und der Bottomzelle herrschender elektrischer Strom abgeleitet werden kann. In beiden Fällen kontaktiert der dritte Kontakt die Grenzfläche zwischen der Topzelle und der Bottomzelle elektrisch. Dabei kontaktiert er eine Seite der Bottomzelle elektrisch, welche der von dem Bottomkontakt kontaktierten Seite entgegengesetzt ist und relativ zu dem von dem Bottomkontakt kontaktierten Bereich der Bottomzelle eine entgegengesetzte Polarität aufweist, sodass über den Bottomkontakt und den dritten Kontakt eine an der Bottomzelle generierte Spannung abgegriffen werden kann. Außerdem kontaktiert der dritte Kontakt eine Seite der Topzelle elektrisch, welche der von dem Topkontakt kontaktierten Seite entgegengesetzt ist und relativ zu dem von dem Topkontakt kontaktierten Bereich der Topzelle eine entgegengesetzte Polarität aufweist, sodass über den Topkontakt und den dritten Kontakt eine an der Topzelle generierte Spannung abgegriffen werden kann. Der dritte Kontakt wird hierin als Mittenabgriffkontakt bezeichnet, kann aber gemäß der Konvention von Warren auch als Z-Kontakt (mit „Z“ für zusätzlich) bezeichnet werden. The three terminal contacts can be configured according to a convention described by Warren et al. (see document [9] in the list of documents mentioned in the introduction to the description). A first contact is typically arranged on a front surface of the solar cell that faces the incident light and electrically contacts that side of the top cell that faces away from the bottom cell (whereby “electrical contact” herein generally means direct electrical contact, ie without Interposition of other electrical components should be understood, ie in particular an ohmic contact). The first contact is referred to herein as the top contact, but may also be referred to as a T-contact (with “T” for top) according to Warren convention. A second contact is typically arranged on a back surface of the solar cell facing away from the incident light and electrically contacts that side of the bottom cell, which faces away from the top cell. The second contact is referred to herein as the bottom contact, but may also be referred to as the R contact (with "R" for raiz or root) following Warren's convention. A third contact can be arranged, for example, in a plane between the top cell and the bottom cell. However, as stated in more detail below, the third contact can also be spatially arranged on the back surface of the solar cell, wherein the bottom cell and the third contact can be designed in such a way that via the third contact there is an interface between the top cell and the bottom cell prevailing electrical current can be derived. In both cases, the third contact electrically contacts the interface between the top cell and the bottom cell. In doing so, it electrically contacts a side of the bottom cell, which is opposite to the side contacted by the bottom contact and has an opposite polarity relative to the area of the bottom cell contacted by the bottom contact, so that a voltage generated at the bottom cell is tapped via the bottom contact and the third contact can. In addition, the third contact electrically contacts a side of the top cell which is opposite to the side contacted by the top contact and has an opposite polarity relative to the area of the top cell contacted by the top contact, so that a voltage is generated at the top cell via the top contact and the third contact can be tapped. The third contact is referred to herein as the center tap contact, but may also be referred to as the Z contact (with "Z" for additional) according to Warren's convention.
Bei herkömmlichen Solarmodulen verfugt jedes einzelne Solarmodul typischerweise über lediglich einen Stromeingangsanschluss und lediglich einen Stromausgangsanschluss, über welche die in dem Solarmodul integrierten Solarzellen mit einem externen Stromkreis verschaltet werden können. Mehrere Solarmodule können dabei jeweils über deren einzelne Stromeingangsanschlüsse und Stromausgangsanschlüsse miteinander in Serie und/oder parallel verschaltet werden, um insgesamt eine Solaranlage zu bilden. In conventional solar modules, each individual solar module typically has only one power input connection and only one power output connection, via which the solar cells integrated in the solar module can be connected to an external circuit. Several solar modules can be connected to one another in series and/or parallel via their individual power input connections and power output connections in order to form a solar system overall.
Im Gegensatz hierzu soll das hierin beschriebene Solarmodul wenigstens zwei Stromeingangsanschlüsse und/oder wenigstens zwei Stromausgangsanschlüsse aufweisen. Vorzugsweise soll jedes Solarmodul wenigstens zwei Stromeingangsanschlüsse und zwei Stromausgangsanschlüsse aufweisen. Zumindest theoretisch ist jedoch vorstellbar, dass ein Solarmodul, welches als erstes Solarmodul innerhalb einer Solaranlage dient, lediglich einen Stromeingangsanschluss, aber zwei Stromausgangsanschlüsse aufweist bzw. ein Solarmodul, welches als letztes Solarmodul innerhalb einer Solaranlage dient, zwei Stromeingangsanschlüsse, aber lediglich einen Stromausgangsanschluss aufweist. In contrast to this, the solar module described herein should have at least two power input connections and/or at least two power output connections. Preferably, each solar module should have at least two power input connections and two power output connections. At least theoretically, however, it is conceivable that a solar module, which serves as the first solar module within a solar system, only has one power input connection but two power output connections or a solar module, which serves as the last solar module within a solar system, has two power input connections but only one power output connection.
Die Stromeingangsanschlüsse und Stromausgangsanschlüsse sind hierbei in einer speziellen Weise mit den Terminalkontakten der verschiedenen Solarzellen innerhalb des Solarmoduls elektrisch verbunden. The power input connections and power output connections are electrically connected in a special way to the terminal contacts of the various solar cells within the solar module.
Insbesondere ist ein erster Stromeingangsanschluss zumindest mit einem der Terminalkontakte derjenigen Solarzelle, die in dem Solarmodul dem Stromeingang am nächsten liegt, das heißt welcher stromeingangsseitig keine weitere Solarzelle vorgeschaltet ist und die daher als erste Solarzelle des Solarmoduls angesehen werden kann, elektrisch verschaltet. Ein zweiter Stromeingangsanschluss ist zumindest mit einem der Terminalkontakte derjenigen Solarzelle, die der ersten Solarzelle benachbart ist, d.h. mit der zweiten Solarzelle innerhalb des Solarmoduls, elektrisch verschaltet. Die erste und die zweite Solarzelle sind dabei Bestandteile ein und desselben Strings. Vorzugsweise ist der erste Stromeingangsanschluss ausschließlich mit der ersten Solarzelle direkt elektrisch verschaltet. Der zweite Stromeingangsanschluss kann ausschließlich mit der zweiten Solarzelle direkt elektrisch verschaltet sein. Ergänzend kann der zweite Stromeingangsanschluss auch mit einem der Terminalkontakte der ersten Solarzelle verschaltet sein, wobei sich dieser Terminalkontakt jedoch von demjenigen Terminalkontakt, mit dem der erste Stromeingangsanschluss verschaltet ist, unterscheidet. Dementsprechend besteht zwischen dem ersten und dem zweiten Stromeingangsanschluss keine direkte ohmsche elektrische Verbindung. In particular, a first power input connection is electrically connected to at least one of the terminal contacts of that solar cell that is closest to the power input in the solar module, that is, which has no further solar cell connected upstream on the power input side and which can therefore be viewed as the first solar cell of the solar module. A second power input connection is electrically connected to at least one of the terminal contacts of that solar cell that is adjacent to the first solar cell, i.e. to the second solar cell within the solar module. The first and second solar cells are components of one and the same string. Preferably, the first power input connection is directly electrically connected exclusively to the first solar cell. The second power input connection can only be electrically connected directly to the second solar cell. In addition, the second power input connection can also be connected to one of the terminal contacts of the first solar cell, although this terminal contact differs from the terminal contact to which the first power input connection is connected. Accordingly, there is no direct ohmic electrical connection between the first and second power input terminals.
In ähnlicher Weise ist ein erster Stromausgangsanschluss zumindest mit einem der Terminalkontakte einer dem Stromausgang nächstliegenden letzten Solarzelle verbunden und ein zweiter Stromausgangsanschluss ist zumindest mit einem der Terminalkontakte einer der letzten Solarzelle benachbarten vorletzten Solarzelle verbunden. Die letzte und die vorletzte Solarzelle sind dabei Bestandteile ein und desselben Strings. Auch in diesem Falle ist vorzugsweise der erste Stromausgangsanschluss ausschließlich mit der letzten Solarzelle des Solarmoduls direkt elektrisch verschaltet. Der zweite Stromausgangsanschluss kann ausschließlich mit der vorletzten Solarzelle direkt elektrisch verschaltet sein. Ergänzend kann der zweite Stromausgangsanschluss auch mit einem der Terminalkontakte der letzten Solarzelle verschaltet sein, wobei sich dieser Terminalkontakt jedoch von demjenigen Terminalkontakt, mit dem der erste Stromausgangsanschluss verschaltet ist, unterscheidet. Dementsprechend besteht zwischen dem ersten und dem zweiten Stromausgangsanschluss keine direkte ohmsche elektrische Verbindung. In a similar manner, a first current output connection is connected to at least one of the terminal contacts of a last solar cell closest to the current output and a second current output connection is connected to at least one of the terminal contacts of a penultimate solar cell adjacent to the last solar cell. The last and the penultimate solar cell are components of one and the same string. In this case too, the first power output connection is preferably electrically connected directly exclusively to the last solar cell of the solar module. The second current output connection can only be electrically connected directly to the penultimate solar cell. In addition, the second current output connection can also be connected to one of the terminal contacts of the last solar cell, although this terminal contact is different from the terminal contact with which the first Power output connection is connected, differs. Accordingly, there is no direct ohmic electrical connection between the first and second current output connections.
Das Vorsehen von wenigstens zwei elektrisch separaten Stromeingangsanschlüssen und/oder wenigstens zwei separaten Stromausgangsanschlüssen sowie die spezielle Art und Weise, wie diese Anschlüsse mit den verschiedenen Solarzellen innerhalb des Solarmoduls verschaltet sind, ermöglicht unter anderem, dass die verschiedenen Teilsolarzellen, d.h. die Topzellen und die Bottomzellen, innerhalb des Solarmoduls derart in einer vorteilhaften Weise miteinander verschaltet werden können, dass innerhalb einer gesamten Solaranlage mit mehreren Solarmodulen fast alle Teilsolarzellen optimal betrieben werden können, d.h. zu einem gesamten Wirkungsgrad der Solaranlage beitragen. Insbesondere können String-End- Verluste, wie sie bei herkömmlichen Solarmodulen mit 3TT-Solarzellen typischerweise in jedem einzelnen Solarmodul einer Solaranlage oder sogar an jedem einzelnen String auftreten, weitgehend vermieden werden bzw. deren Auftreten auf ein erstes Solarmodul und/oder ein letztes Solarmodul innerhalb einer Solaranlage mit einer Vielzahl von Solarmodulen beschränkt werden. Dies wird hierin weiter unten mit Bezug auf konkrete beispielhafte Ausführungsformen weiter erläutert. The provision of at least two electrically separate power input connections and/or at least two separate power output connections and the special way in which these connections are connected to the various solar cells within the solar module enables, among other things, the various partial solar cells, i.e. the top cells and the bottom cells, within the solar module to be connected to one another in an advantageous manner such that within an entire solar system with several solar modules almost all partial solar cells can be operated optimally, i.e. contribute to the overall efficiency of the solar system. In particular, string end losses, such as those that typically occur in each individual solar module of a solar system or even in each individual string in conventional solar modules with 3TT solar cells, can be largely avoided or their occurrence can be limited to a first solar module and/or a last solar module within a solar system with a large number of solar modules. This is explained further below with reference to specific exemplary embodiments.
Gemäß einer Ausfiihrungsform sind die Topzelle und die Bottomzelle jeder der 3TT-Solarzellen in einer r-Typ-Konfiguration in umgekehrt gerichteter Polung angeordnet. Ferner ist der erste Stromeingangsanschluss mit dem Mittenabgriffkontakt der ersten 3TT-Solarzelle verbunden und der zweite Stromeingangsanschluss ist mit dem Mittenabgriffkontakt der zweiten Solarzelle verbunden. Alternativ oder ergänzend ist der erste Stromausgangsanschluss mit dem Topkontakt der letzten 3TT-Solarzelle verbunden und der zweite Stromausgangsanschluss ist mit dem Topkontakt der vorletzten 3TT-Solarzelle verbunden. According to one embodiment, the top cell and the bottom cell of each of the 3TT solar cells are arranged in an r-type configuration with reverse polarity. Further, the first power input terminal is connected to the center tap contact of the first 3TT solar cell and the second power input terminal is connected to the center tap contact of the second solar cell. Alternatively or additionally, the first current output connection is connected to the top contact of the last 3TT solar cell and the second current output connection is connected to the top contact of the penultimate 3TT solar cell.
Anders ausgedrückt sind bei dieser Ausführungsform die Topzelle und die Bottomzelle einer 3TT-Solarzelle entgegengesetzt gepolt ausgerichtet, d.h. beispielsweise ist die Durchlassrichtung der Topzelle von dem Mittenabgriffkontakt hin zu dem Topkontakt und die Durchlassrichtung der Bottomzelle von dem Mittenabgriffkontakt hin zu dem Bottomkontakt gerichtet. Eine solche Ausgestaltung wird auch als r-Typ-Konfiguration bezeichnet, wobei „r“ für „reverse“ steht. Im Gegensatz dazu sind bei einer sogenannten s-Typ-Konfiguration die Topsolarzelle und die Bottomsolarzelle gleichartig ausgerichtet und somit in Serie verschaltet. Die r-Typ-Konfiguration ermöglicht bei dem hierin beschriebenen Solarmodulen eine besonders vorteilhafte Verschaltung der 3TT-Solarzellen untereinander sowie mit den wenigstens zwei Stromeingangsanschlüssen bzw. wenigstens zwei Stromausgangsanschlüssen. In other words, in this embodiment, the top cell and the bottom cell of a 3TT solar cell are aligned with opposite polarities, that is, for example, the forward direction of the top cell is directed from the center tap contact toward the top contact and the forward direction of the bottom cell is directed from the center tap contact toward the bottom contact. Such a configuration is also referred to as an r-type configuration, where “r” stands for “reverse”. In contrast, in a so-called s-type configuration, the top solar cell and the bottom solar cell are aligned in the same way and are therefore connected in series. The r-type configuration enables a particularly advantageous connection for the solar modules described here of the 3TT solar cells with each other and with the at least two power input connections or at least two power output connections.
Insbesondere kann in diesem Fall der erste Stromeingangsanschluss vorzugsweise ausschließlich mit dem Mittenabgriffkontakt der ersten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls elektrisch kontaktiert sein. Der zweite Stromeingangsanschluss ist dann mit dem Mittenabgriffkontakt der zweiten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls elektrisch kontaktiert, wobei dieser zweite Stromeingangsanschluss zusätzlich mit dem Bottomkontakt der ersten 3TT-Solarzelle elektrisch kontaktiert sein kann. Alternativ oder ergänzend ist der erste Stromausgangsanschluss vorzugsweise ausschließlich mit dem Topkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls elektrisch kontaktiert. Der zweite Stromausgangsanschluss ist dann mit dem Topkontakt der vorletzten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls elektrisch kontaktiert, wobei dieser zweite Stromausgangsanschluss zusätzlich mit dem Bottomkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls elektrisch kontaktiert sein kann. In particular, in this case, the first power input connection can preferably be electrically contacted exclusively with the center tap contact of the first 3TT solar cell of the solar module. The second power input connection is then electrically contacted with the center tap contact of the second 3TT solar cell of the solar module, wherein this second power input connection can also be electrically contacted with the bottom contact of the first 3TT solar cell. Alternatively or additionally, the first power output connection is preferably electrically contacted exclusively with the top contact of the last 3TT solar cell of the solar module. The second current output connection is then electrically contacted with the top contact of the penultimate 3TT solar cell of the solar module, whereby this second current output connection can also be electrically contacted with the bottom contact of the last 3TT solar cell of the solar module.
Die beschriebene r-Typ-Konfiguration zusammen mit der speziellen Art und Weise der Verschaltung der Anschlüsse ermöglicht es, die 3TT-Solarzellen in einer vorteilhaften Weise, insbesondere einer Weise mit relativ wenig benötigten elektrischen Leitungen, miteinander und mit den mehreren Eingangs-und Ausgangsanschlüssen so zu verschalten, dass ein Auftreten von Verlusten, insbesondere ein Auftreten von String-End- Verlusten weitgehend begrenzt werden kann. The r-type configuration described, together with the special way of connecting the connections, makes it possible to connect the 3TT solar cells to one another and to the multiple input and output connections in an advantageous manner, in particular in a manner with relatively few electrical lines required to interconnect so that the occurrence of losses, in particular the occurrence of string end losses, can be largely limited.
Dies trifft insbesondere für den Fall zu, dass die von den Topzellen erzeugten elektrischen Spannungen und die von den Bottomzellen erzeugten elektrischen Spannungen in einem gewissen Verhältnis zueinander stehen. This is particularly true in the case that the electrical voltages generated by the top cells and the electrical voltages generated by the bottom cells have a certain relationship to one another.
Beispielsweise können gemäß einer Ausfuhrungsform die bei Lichteinstrahlung erzeugte elektrische Spannung der Topzelle und die bei Lichteinstrahlung erzeugte elektrische Spannung der Bottomzelle im Wesentlichen in einem Verhältnis von m zu n stehen, m und n sind hierbei natürliche Zahlen. Unter „im Wesentlichen“ kann hierbei beispielsweise verstanden werden, dass sich das Verhältnis der sich tatsächlich einstellenden elektrischen Spannungen bei der Topzelle und der Bottomzelle von einem Verhältnis (m : n) beispielsweise um weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 15 % stärker bevorzugt weniger als 5 % unterscheidet. In diesem Fall können jeweils n in Serie verschaltete Topzellen parallel zu m in Serie verschalteten Bottomzellen verschaltet sein. Anders ausgedrückt können die Topzelle und die Bottomzelle beispielsweise aufgrund einer geeigneten Wahl von zu deren Herstellung eingesetzten Materialien und/oder Dotierungen derart ausgestaltet sein, dass ihre unter gemeinsamer Beleuchtung generierten elektrischen Spannungen, d.h. vorzugsweise ihre elektrischen Spannungen Vmpp im Punkt maximaler Leistung, im Wesentlichen in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen. Dementsprechend können die n in Serie verschalteten Topzellen unter Beleuchtung im Wesentlichen die gleiche Spannung erzeugen wie die hierzu parallel verschalteten in Serie miteinander verschalteten m Bottomzellen. Die beschriebene Anpassung der Spannungen zwischen den Teilsolarzellen wird auch als Spannungs-Matching der Strings (englisch: voltage matched strings) bezeichnet. For example, according to one embodiment, the electrical voltage of the top cell generated when irradiated with light and the electrical voltage of the bottom cell generated when irradiated with light can essentially be in a ratio of m to n, m and n being natural numbers. “Substantially” can be understood here, for example, to mean that the ratio of the electrical voltages actually occurring in the top cell and the bottom cell differs from a ratio (m: n), for example by less than 25%, preferably less than 15%, more preferably less than 5%. In this case, n top cells connected in series can be connected in parallel to m bottom cells connected in series. In other words, the top cell and the bottom cell can be designed, for example due to a suitable choice of materials and/or dopings used to produce them, in such a way that their electrical voltages generated under common illumination, ie preferably their electrical voltages V mp p at the point of maximum power, im Essentially have an integer ratio to each other. Accordingly, the n top cells connected in series can generate essentially the same voltage under illumination as the m bottom cells connected in parallel in series with one another. The described adjustment of the voltages between the partial solar cells is also referred to as voltage matching of the strings.
Dabei kann gemäß einer konkretisierten Ausführungsform m > 2 und n > 1 sein. Eine Anzahl der Stromeingangsanschlüsse und/oder eine Anzahl der Stromausgangsanschlüsse entspricht dann (im Falle einer r-Typ-Konfiguration) einem Größeren der beiden Werte m und n oder ist (im Falle einer s-Typ-Konfiguration) größer als der Größere der beiden Werte m und n. According to a specific embodiment, m>2 and n>1 can be. A number of the current input connections and/or a number of the current output connections then corresponds (in the case of an r-type configuration) to a larger of the two values m and n or is larger (in the case of an s-type configuration) to the larger of the two values m and n.
Mit anderen Worten kann eine Anzahl der an dem Solarmodul vorgesehenen Stromeingangsanschlüsse und/oder Stromausgangsanschlüsse mit der Art und Weise korrelieren, wie die Topzellen und die Bottomzellen hinsichtlich der von Ihnen erzeugten elektrischen Spannungen aufeinander abgestimmt sind und somit gematched in Gruppen aus mehreren seriell verschalteten Topzellen parallel zu Gruppen aus mehreren seriell verschalteten Bottomzellen verschaltet werden können. In other words, a number of the power input terminals and/or power output terminals provided on the solar module can correlate with the way in which the top cells and the bottom cells are matched with respect to the electrical voltages they generate and can thus be matched in groups of several series-connected top cells in parallel with groups of several series-connected bottom cells.
Gemäß einer konkretisierten Ausführungsform kann beispielsweise m=2 und n=l sein. In diesem Fall kann, mit Ausnahme der letzten 3TT-Solarzelle, jeder Bottomkontakt einer Solarzelle mit dem Mittenabgriffkontakt der benachbarten nächsten 3TT-Solarzelle verschaltet sein, und, mit Ausnahme der letzten und der vorletzten 3TT-Solarzelle, jeder Topkontakt einer Solarzelle mit dem Mittenabgriffkontakt der übernächsten nachfolgenden 3TT-Solarzelle verschaltet sein. According to a specific embodiment, for example m=2 and n=1. In this case, with the exception of the last 3TT solar cell, each bottom contact of a solar cell can be connected to the center tap contact of the next adjacent 3TT solar cell, and, with the exception of the last and the penultimate 3TT solar cell, each top contact of a solar cell can be connected to the center tap contact of the be connected to the next but one subsequent 3TT solar cell.
Ein derartiges Abstimmen der von den Topzellen und Bottomzellen erzeugten Spannungen im Verhältnis (2 : 1) zusammen mit der beschriebenen Verschaltung der Topzellen und Bottomzellen der mehreren 3TT-Solarzellen untereinander kann eine besonders einfache Gesamtverschaltung innerhalb des Solarmoduls bei gleichzeitiger hoher Effizienz aufgrund einer Vermeidung von Verlusten, insbesondere End- Verlusten, ermöglichen. Gemäß einer Ausfiihrungsform ist in jedem der Strings eine erste Bypassdiode parallel zu den 3TT-Solarzellen des Strings verschaltet. Ferner ist in jedem der Strings eine zweite Bypassdiode parallel zu der Topzelle einer letzten 3TT-Solarzelle des Strings verschaltet. Such coordination of the voltages generated by the top cells and bottom cells in a ratio of (2:1) together with the described interconnection of the top cells and bottom cells of the several 3TT solar cells with one another can result in a particularly simple overall interconnection within the solar module while at the same time being highly efficient due to the avoidance of losses , especially final losses. According to one embodiment, a first bypass diode is connected in parallel to the 3TT solar cells of the string in each of the strings. Furthermore, in each of the strings, a second bypass diode is connected in parallel to the top cell of a last 3TT solar cell in the string.
Wie alle Dioden lassen Bypassdioden einen wesentlichen Stromfluss ausschließlich in eine Richtung zu, d.h. in ihrer Durchlassrichtung. Bei Solarmodulen werden Bypassdioden typischerweise antiparallel zu den Solarzellen z.B. eines Strings geschaltet, sodass sie im normalen Betriebszustand, das heißt wenn alle Solarzellen korrekt funktionieren und Strom generieren, in Sperrrichtung gepolt sind. Liefert jedoch eine (oder mehrere) der Solarzellen beispielsweise aufgrund einer Verschattung keinen Strom, wirkt diese wie ein elektrischer Verbraucher. Über diesen Verbraucher müsste der von den anderen Solarzellen generierte Strom fließen, wobei erheblich Wärme entstehen kann und es zu sogenannten Hotspots kommen kann. Außerdem hängt der gesamte durch ein Solarmodul fließende Strom im Allgemeinen von der schwächsten Solarzelle innerhalb des Solarmoduls ab, sodass eine einzelne verschattete Solarzelle den Wirkungsgrad des Solarmoduls erheblich begrenzen könnte. Um Hotspots und Mindererträge zu vermeiden werden daher in Solarmodulen typischerweise Bypassdioden antiparallel zu Strings aus seriell miteinander verschalteten Solarzellen geschaltet. Eine Sperrspannung der Bypassdiode entspricht dabei ungefähr einer Leerlaufspannung der in dem String verschalteten Solarzellen. Like all diodes, bypass diodes only allow a significant flow of current in one direction, i.e. in their forward direction. In solar modules, bypass diodes are typically connected anti-parallel to the solar cells, e.g. of a string, so that in normal operating mode, i.e. when all solar cells are functioning correctly and generating electricity, they are polarized in the reverse direction. However, if one (or more) of the solar cells does not deliver any current, for example due to shading, it acts like an electrical consumer. The current generated by the other solar cells would have to flow through this consumer, which can generate considerable heat and lead to so-called hotspots. In addition, the total current flowing through a solar module generally depends on the weakest solar cell within the solar module, so that a single shaded solar cell could significantly limit the efficiency of the solar module. In order to avoid hotspots and reduced yields, bypass diodes in solar modules are therefore typically connected anti-parallel to strings of solar cells connected in series. A blocking voltage of the bypass diode corresponds approximately to an open circuit voltage of the solar cells connected in the string.
Bei den hierin beschriebenen Solarmodulen aus 3TT-Solarzellen können, wie vorangehend erläutert, die einzelnen Topzellen und Bottomzellen der mehreren 3TT-Solarzellen derart verschaltet sein, dass jeweils eine erste Anzahl von Topzellen miteinander in Serie verschaltet ist und eine davon verschiedene zweite Anzahl von Bottomzellen ebenfalls in Serie verschaltet ist, wobei beide Serienschaltungen parallel zueinander verschaltet sind. Dabei können beispielsweise die Topzellen der 3TT-Solarzellen nicht jeweils mit der Topzelle einer nächstbenachbarten 3TT- Solarzelle, sondern erst mit der Topzelle einer übernächsten 3TT-Solarzelle in Serie verschaltet sein. Eine erste Bypassdiode kann in diesem Fall parallel zu den 3TT-Solarzellen eines Strings verschaltet sein. Allerdings ist die Topzelle der letzten 3TT-Solarzelle des Strings bei der beschriebenen Verschaltung nicht durch diese erste Bypassdiode geschützt. Dementsprechend ist es vorteilhaft, für diese Topzelle eine eigene, zweite Bypassdiode vorzusehen, die parallel zu dieser Topzelle verschaltet ist. Prinzipiell kann eine solche zweite Bypassdiode andere Eigenschaften aufweisen als die erste Bypassdiode, da sie lediglich eine einzelne Topzelle absichern muss. Beispielsweise kann die Sperrspannung der zweiten Bypassdiode geringer sein als diejenige der ersten Bypassdiode. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, alle in dem Solarmodul aufgenommenen Bypassdioden gleich auszugestalten. In the solar modules made of 3TT solar cells described here, as explained above, the individual top cells and bottom cells of the multiple 3TT solar cells can be connected in such a way that a first number of top cells are connected in series with one another and a second number of bottom cells that are different from them are also connected in series, with both series connections being connected in parallel to one another. For example, the top cells of the 3TT solar cells can not be connected in series with the top cell of a next-to-next 3TT solar cell, but only with the top cell of the next-but-one 3TT solar cell. In this case, a first bypass diode can be connected in parallel to the 3TT solar cells of a string. However, the top cell of the last 3TT solar cell of the string is not protected by this first bypass diode in the connection described. Accordingly, it is advantageous to provide a separate, second bypass diode for this top cell, which is connected in parallel to this top cell. In principle, such a second bypass diode can have different properties than the first bypass diode, since it only has to protect a single top cell. For example, the blocking voltage of the second bypass diode can be lower than that of the first bypass diode. However, it can also be provided that all bypass diodes in the solar module are designed in the same way.
Gemäß einer konkretisierten Ausführungsform kann die erste Bypassdiode einerseits mit dem Mittenabgriffkontakt der ersten 3TT-Solarzelle des Strings und andererseits mit dem Bottomkontakt oder dem Topkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Strings elektrisch verbunden sein. Dabei kann ferner die zweite Bypassdiode einerseits mit dem Topkontakt oder dem Bottomkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Strings und andererseits mit dem Mittenabgriffkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Strings elektrisch verbunden sein. According to a specific embodiment, the first bypass diode can be electrically connected on the one hand to the center tap contact of the first 3TT solar cell of the string and on the other hand to the bottom contact or the top contact of the last 3TT solar cell of the string. Furthermore, the second bypass diode can be electrically connected on the one hand to the top contact or the bottom contact of the last 3TT solar cell of the string and on the other hand to the center tap contact of the last 3TT solar cell of the string.
Eine solche Art der Verschaltung der ersten und zweiten Bypassdioden kann, wie weiter unten mit Bezug auf ein konkretes Ausfiihrungsbeispiel beschrieben, insbesondere für eine Ausgestaltung des Solarmoduls vorteilhaft sein, bei der die 3 TT- Solarzellen in einer r-Typ- Konfiguration ausgestaltet sind und hinsichtlich der Spannungen ihrer Topzellen und Bottomzellen im Verhältnis (2 : 1) aufeinander abgestimmt sind. Such a type of connection of the first and second bypass diodes can, as described below with reference to a specific exemplary embodiment, be particularly advantageous for an embodiment of the solar module in which the 3 TT solar cells are designed in an r-type configuration and with regard to the voltages of their top cells and bottom cells are coordinated with one another in a ratio of (2:1).
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Solarmodul zumindest eine stringübergreifend verschaltete Bypassdiode aufweisen, wobei die stringübergreifend verschaltete Bypassdiode einerseits mit einer 3TT-Solarzelle vor der letzten 3TT-Solarzelle (d.h. beispielsweise einer vorletzten 3 TT- Solarzelle) eines benachbarten Substrings und anderseits mit der letzten Solarzelle des zu sichernden Substrings verbunden ist. According to an alternative embodiment, the solar module can have at least one bypass diode connected across strings, the bypass diode connected across strings being connected, on the one hand, to a 3TT solar cell in front of the last 3TT solar cell (i.e., for example, a penultimate 3 TT solar cell) of an adjacent substring and, on the other hand, to the last solar cell of the substring to be saved.
Anders ausgedrückt kann in dem Solarmodul eine Verschaltung von Bypassdioden mit den 3TT- Solarzellen derart ausgestaltet sein, dass zumindest eine letzte 3TT-Solarzelle in einem der Substrings mit zwei Bypassdioden verbunden ist, nämlich der dem betreffenden Substring zugeordneten und zu diesem parallel verbundenen Bypassdiode sowie der einem benachbarten Substring zugeordneten Bypassdiode. Die Bypassdioden können dabei derart mit der betreffenden 3TT-Solarzelle verbunden sein, dass zumindest eine der beiden Bypassdioden die Bottomzelle und zumindest die andere der beiden Bypassdioden die Topzelle dieser 3TT- Solarzelle absichert. Auf diese Weise kann vorzugsweise auf das Vorsehen einer separaten Bypassdiode lediglich zum Absichern einer einzelnen Top- oder Bottomzelle einer einzelnen 3TT-Solarzelle, wie es weiter oben mit der zweiten Bypassdiode diskutiert wurde, vermieden werden. In other words, a connection of bypass diodes to the 3TT solar cells can be designed in the solar module in such a way that at least one last 3TT solar cell in one of the substrings is connected to two bypass diodes, namely the bypass diode assigned to the substring in question and connected in parallel to it and the bypass diode assigned to an adjacent substring. The bypass diodes can be connected to the relevant 3TT solar cell in such a way that at least one of the two bypass diodes protects the bottom cell and at least the other of the two bypass diodes protects the top cell of this 3TT solar cell. In this way, it is preferable to provide a separate bypass diode only to protect a single top or bottom cell of an individual 3TT solar cell, as discussed above with the second bypass diode, can be avoided.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Solarmodul zumindest einen weiteren Stromeingangsanschluss und/oder zumindest einen weiteren Stromausgangsanschluss aufweisen. In dem Solarmodul ist dabei zumindest eine modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode aufgenommen. Die modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode kann hierbei einerseits mit dem weiteren Stromeingangsanschluss und andererseits mit einem der Terminalkontakte, insbesondere dem Bottomkontakt, einer der 3TT-Solarzellen in dem Solarmodul verschaltet sein. Alternativ oder ergänzend kann der Mittenabgriffkontakt der letzten 3TT-Solarzelle des Solarmoduls mit dem weiteren Stromausgangsanschluss verschaltet sein. According to an alternative embodiment, the solar module can have at least one further power input connection and/or at least one further power output connection. At least one bypass diode that can be connected across modules is accommodated in the solar module. The bypass diode to be connected across modules can be connected on the one hand to the further power input connection and on the other hand to one of the terminal contacts, in particular the bottom contact, of one of the 3TT solar cells in the solar module. Alternatively or additionally, the center tap contact of the last 3TT solar cell of the solar module can be connected to the other power output connection.
Bei dieser Ausgestaltung des Solarmoduls kann auf das zuvor beschriebene Vorsehen einer zweiten Bypassdiode zur Absicherung der Topzelle einer letzten 3TT-Solarzelle in einem String verzichtet werden. Stattdessen kann diese Topzelle durch die bzw. eine der ersten Bypassdioden des nachfolgenden Strings mitabgesichert werden, d.h. eine derart verschaltete Bypassdiode kann stringübergreifend wirken. Dazu kontaktiert die nachfolgende erste Bypassdiode die letzte Topzelle des vorangegangen Strings, indem sie beispielsweise im Falle der r-Typ-Konfiguration den Mittelkontakt der letzten Zelle im Strang kontaktiert. Sofern es sich bei der abzusichernden Topzelle jedoch um diejenige der letzten 3TT-Solarzelle nicht nur innerhalb eines von mehreren Strings in dem Solarmodul sondern um die allerletzte 3TT-Solarzelle in dem gesamten Solarmodul handelt, kann diese nicht über eine erste Bypassdiode aus dem gleichen Solarmodul abgesichert werden. Stattdessen wird diese Topzelle mithilfe einer ersten Bypassdiode eines benachbarten Solarmoduls mitabgesichert. Um hierzu eine modulübergreifende Verschaltung der Bypassdiode zu ermöglichen, wird an dem Solarmodul zumindest ein weiterer Stromeingangsanschluss und/oder zumindest ein weiterer Stromausgangsanschluss vorgesehen, über welche die genannte Topzelle mit der ersten Bypassdiode in einem benachbarten Solarmodul verschaltet werden kann. Ein erläuterndes Beispiel einer solchen Ausgestaltung des Solarmoduls wird weiter unten dargelegt. With this design of the solar module, the previously described provision of a second bypass diode to protect the top cell of a last 3TT solar cell in a string can be dispensed with. Instead, this top cell can be protected by the or one of the first bypass diodes of the following string, i.e. a bypass diode connected in this way can work across strings. For this purpose, the subsequent first bypass diode contacts the last top cell of the previous string, for example in the case of the r-type configuration, contacting the center contact of the last cell in the string. However, if the top cell to be protected is that of the last 3TT solar cell not only within one of several strings in the solar module but also the very last 3TT solar cell in the entire solar module, this cannot be protected via a first bypass diode from the same solar module become. Instead, this top cell is protected using a first bypass diode from a neighboring solar module. In order to enable cross-module interconnection of the bypass diode, at least one further power input connection and/or at least one further power output connection is provided on the solar module, via which said top cell can be connected to the first bypass diode in an adjacent solar module. An explanatory example of such a design of the solar module is set out below.
Gemäß einer weiteren konkretisierten Ausfuhrungsform sind mehrere 3TT-Solarzellen über eine gesamte Breite des Solarmoduls hin seitlich nebeneinander angeordnet und elektrisch zu einem Substring verschaltet. Dabei sind die erste Bypassdiode und, sofern vorhanden, die zweite Bypassdiode jeweils seitlich neben dem Substring angeordnet. Mit anderen Worten kann das Solarmodul hinsichtlich einer geometrischen Anordnung der darin aufgenommenen 3TT-Solarzellen derart ausgestaltet sein, dass mehrere der Solarzellen, die einen Substring bilden, seitlich nebeneinander entlang der gesamten Breite des Solarmoduls angeordnet sind. Der Substring enthält dementsprechend eine relativ große Anzahl von in Serie verschalteten Solarzellen. According to a further specific embodiment, several 3TT solar cells are arranged side by side across the entire width of the solar module and are electrically connected to form a substring. The first bypass diode and, if present, the second bypass diode are each arranged laterally next to the substring. In other words, the solar module can be designed with regard to a geometric arrangement of the 3TT solar cells accommodated therein in such a way that several of the solar cells that form a substring are arranged side by side along the entire width of the solar module. The substring accordingly contains a relatively large number of solar cells connected in series.
Diese Art der Verschaltung in zellenreiche Substrings eignet sich insbesondere für den Fall, dass die einzelnen Teilsolarzellen jeweils eine relativ hohe Reversspannungsfestigkeit aufweisen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die erste und die zweite Bypassdiode jeweils seitlich neben dem Substring, d.h. an einem äußeren Rand des Solarmoduls, anzuordnen. Dort können die Bypassdioden besonders einfach zugänglich sein und/oder platzsparend angeordnet werden, beispielsweise im Bereich eines den Rand des Solarmoduls lokal überdeckenden Rahmens des Solarmoduls. This type of connection into cell-rich substrings is particularly suitable for the case where the individual partial solar cells each have a relatively high reverse voltage resistance. In this case, it can be advantageous to arrange the first and second bypass diodes laterally next to the substring, i.e. on an outer edge of the solar module. There, the bypass diodes can be particularly easily accessible and/or arranged in a space-saving manner, for example in the area of a frame of the solar module that locally covers the edge of the solar module.
Gemäß einer alternativen konkretisierten Ausfiihrungsform sind mehrere 3TT-Solarzellen über eine erste Hälfte einer Breite des Solarmoduls hin seitlich nebeneinander angeordnet und elektrisch zu einem ersten Substring verschaltet und mehrere andere 3TT-Solarzellen sind über eine zweite Hälfte der Breite des Solarmoduls hin seitlich nebeneinander angeordnet und elektrisch zu einem zweiten Substring verschaltet. Der erste Substring und der zweite Substring sind dabei parallel zueinander verschaltet. Ferner sind die erste Bypassdiode und, sofern vorhanden, die zweite Bypassdiode jeweils räumlich zwischen dem ersten Substring und dem zweiten Substring angeordnet. According to an alternative, more specific embodiment, several 3TT solar cells are arranged laterally next to one another over a first half of the width of the solar module and are electrically connected to a first substring, and several other 3TT solar cells are arranged laterally next to one another and electrically over a second half of the width of the solar module connected to a second substring. The first substring and the second substring are connected in parallel to each other. Furthermore, the first bypass diode and, if present, the second bypass diode are each spatially arranged between the first substring and the second substring.
Anders ausgedrückt kann das Solarmodul hinsichtlich der geometrischen Anordnung der darin aufgenommenen Solarzellen derart ausgestaltet sein, dass jeweils nur eine relativ kleine Anzahl von Solarzellen zu einem Substring verschaltet ist. Die zu einem Substring verschalteten Solarzellen sind dabei geometrisch so seitlich nebeneinander angeordnet, dass sie sich lediglich über eine Hälfte der Breite des Solarmoduls erstrecken. Über die gesamte Breite des Solarmoduls hin können daher zwei räumlich benachbarte Substrings nebeneinander angeordnet werden. Die beiden Substrings werden hierbei vorzugsweise parallel zueinander verschaltet. In other words, the solar module can be designed with regard to the geometric arrangement of the solar cells accommodated therein in such a way that only a relatively small number of solar cells are connected to form a substring. The solar cells connected to form a substring are geometrically arranged side by side in such a way that they only extend over half the width of the solar module. Two spatially adjacent substrings can therefore be arranged next to one another across the entire width of the solar module. The two substrings are preferably connected in parallel to one another.
Da bei einer solchen Art der Verschaltung die Anzahl der Solarzellen innerhalb eines Substrings relativ gering ist, eignet sich diese Ausgestaltung insbesondere für den Fall, dass zumindest einige der Teilsolarzellen eine relativ geringe Reversspannungsfestigkeit aufweisen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die erste und die zweite Bypassdiode jeweils geometrisch zwischen dem ersten Substring und dem zweiten Substring anzuordnen. Die Bypassdioden können somit beispielsweise in oder nahe einer geometrischen Mitte des Solarmoduls angeordnet sein. Dabei kann für die beiden parallel zueinander verschalteten Substrings eine einzelne erste Bypassdiode vorgesehen sein, die ihrerseits parallel zu beiden Substrings verschaltet ist. Ferner kann für jeden der beiden Substrings eine eigene zweite Bypassdiode vorgesehen sein, wobei eine zweite Bypassdiode antiparallel zu der Topzelle der letzten 3TT-Solarzelle in einem der beiden Substrings verschaltet ist und eine weitere zweite Bypassdiode antiparallel zu der Topzelle der letzten 3TT-Solarzelle in dem anderen der beiden Substrings verschaltet ist. Insgesamt kann aufgrund der zentralen Anordnung der Bypassdioden zwischen den Substrings eine günstige Gesamtverschaltung in dem Solarmodul mit beispielsweise kurzen Verbindungsdistanzen und dementsprechend geringen elektrischen Widerstandsverlusten erreicht werden. Since with this type of interconnection the number of solar cells within a substring is relatively small, this configuration is particularly suitable for the case that at least some of the sub-solar cells have a relatively low reverse voltage resistance. In this case, it can be advantageous to geometrically sandwich the first and second bypass diodes the first substring and the second substring. The bypass diodes can therefore be arranged, for example, in or near a geometric center of the solar module. A single first bypass diode can be provided for the two substrings connected in parallel to one another, which in turn is connected in parallel to both substrings. Furthermore, a separate second bypass diode can be provided for each of the two substrings, with a second bypass diode being connected anti-parallel to the top cell of the last 3TT solar cell in one of the two substrings and a further second bypass diode being connected anti-parallel to the top cell of the last 3TT solar cell in the other of the two substrings is connected. Overall, due to the central arrangement of the bypass diodes between the substrings, a favorable overall circuit can be achieved in the solar module with, for example, short connection distances and correspondingly low electrical resistance losses.
Gemäß einer weiteren konkretisierten Ausfuhrungsform können die erste und, sofern vorhanden, die zweite Bypassdiode in einer gemeinsamen Diodenbox aufgenommen sein. According to a further specific embodiment, the first and, if present, the second bypass diode can be accommodated in a common diode box.
Eine Diodenbox kann hierbei beispielsweise ein Gehäuse sein, in dem die Bypassdioden aufgenommen sein können und durch welches die Bypassdioden beispielsweise vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Indem beide Bypassdioden in einer gemeinsamen Diodenbox aufgenommen werden, kann die Anzahl benötigter Diodenboxen gering gehalten werden. Außerdem kann die Ausgestaltung des Solarmoduls hinsichtlich der darin vorzusehenden Diodenboxen gleich oder ähnlich zu derjenigen herkömmlicher Solarmodule sein, bei denen lediglich eine Bypassdiode pro Solarzellenstring existiert. Dementsprechend können die Solarmodule hinsichtlich ihrer Diodenboxen in gleicher Weise hergestellt und/oder montiert werden wie herkömmliche Solarmodule. A diode box can be, for example, a housing in which the bypass diodes can be accommodated and through which the bypass diodes can be protected from environmental influences, for example. By accommodating both bypass diodes in a common diode box, the number of diode boxes required can be kept low. In addition, the design of the solar module with regard to the diode boxes to be provided therein can be the same or similar to that of conventional solar modules, in which there is only one bypass diode per solar cell string. Accordingly, the solar modules can be manufactured and/or assembled in the same way as conventional solar modules with regard to their diode boxes.
Gemäß einer Ausfuhrungsform ist die Topzelle eine Perowskitsolarzelle und die Bottomzelle ist eine Siliziumsolarzelle. According to one embodiment, the top cell is a perovskite solar cell and the bottom cell is a silicon solar cell.
Siliziumsolarzellen sind für ihre Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und hohen Wirkungsgrad bekannt. Beispielsweise sind Siliziumsolarzellen kommerziell erhältlich, die einen Wirkungsgrad von deutlich über 20 % zuverlässig über eine Lebensdauer von 20 Jahren und mehr liefern können. Allerdings ist der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen unter anderem dadurch begrenzt, dass Silizium eine relativ kleine Bandlücke aufweist, sodass hochenergetisches Licht im Allgemeinen nur mit relativ hohen Energieverlusten in Form von Wärmeerzeugung in elektrische Energie umgewandelt werden kann. In jüngerer Zeit wurden Perowskitsolarzellen entwickelt, die inzwischen ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad liefern können, wobei eine Langlebigkeit und Zuverlässigkeit stark von der genauen Zusammensetzung der verwendeten Perowskite zusammenhängt. Perowskite weisen im Regelfall eine deutlich größere Bandlücke auf als beispielsweise Silizium, sodass daraus gebildete Solarzellen für eine verlustarme Absorption von hochenergetischem Licht prädestiniert sind. Silicon solar cells are known for their longevity, reliability and high efficiency. For example, silicon solar cells are commercially available that can reliably deliver an efficiency of well over 20% over a lifetime of 20 years or more. However, the efficiency of silicon solar cells is limited, among other things, by the fact that silicon has a relatively small band gap, so that high-energy light can generally only be converted into electrical energy with relatively high energy losses in the form of heat generation. More recently, perovskite solar cells have been developed that can now also deliver high levels of efficiency, although longevity and reliability depend heavily on the exact composition of the perovskites used. Perovskites generally have a significantly larger band gap than silicon, for example, so solar cells made from them are ideal for low-loss absorption of high-energy light.
Dementsprechend sind Perowskitsolarzellen hervorragend geeignet, in Tandemsolarzellen als Partner für Siliziumsolarzellen zu dienen und dort als Topzelle eingesetzt zu werden. Die genaue Zusammensetzung der verwendeten Perowskite korreliert hierbei stark mit deren Bandlücke und somit indirekt mit der von der Perowskitsolarzelle gelieferten Leerlaufspannung. Accordingly, perovskite solar cells are ideally suited to serve as partners for silicon solar cells in tandem solar cells and to be used there as top cells. The exact composition of the perovskites used correlates strongly with their band gap and thus indirectly with the open-circuit voltage supplied by the perovskite solar cell.
Bei dem hierin beschriebenen Ansatz für eine Solaranlage können Perowskitsolarzellen als Topzellen in den 3TT-Solarzellen eingesetzt werden und dabei beispielsweise hinsichtlich ihrer Langlebigkeit und Zuverlässigkeit optimiert werden. Die sich bei Beleuchtung einstellende elektrische Spannung der Topzellen hängt dabei von den verwendeten Perowskiten ab. Je nach sich einstellender elektrischer Spannung können dann die Verschaltungen innerhalb des Solarmoduls sowie die Anzahl von Stromeingangsanschlüssen und Stromausgangsanschlüssen wie hierin beschrieben angepasst werden, um ein günstiges Spannungsmatching zwischen den Topzellen und den Bottomzellen innerhalb des Solarmoduls realisieren zu können. In the approach described here for a solar system, perovskite solar cells can be used as top cells in the 3TT solar cells and can be optimized in terms of their longevity and reliability, for example. The electrical voltage of the top cells that arises when illuminated depends on the perovskites used. Depending on the resulting electrical voltage, the interconnections within the solar module as well as the number of power input connections and power output connections can then be adjusted as described herein in order to be able to realize a favorable voltage matching between the top cells and the bottom cells within the solar module.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Bottomsolarzelle eine Rückkontaktsolarzelle sein, bei der Terminalkontakte beider Polaritäten verschachtelt an einer von der Topsolarzelle weg gerichteten Rückseite der Bottomsolarzelle angeordnet sind, wobei einer der Terminalkontakte der Bottomsolarzelle als der Mittenabgriffkontakt wirkt. According to one embodiment, the bottom solar cell can be a back contact solar cell, in which terminal contacts of both polarities are arranged nested on a rear side of the bottom solar cell directed away from the top solar cell, with one of the terminal contacts of the bottom solar cell acting as the center tap contact.
Rückkontaktsolarzellen, bei denen Kontakte beider Polaritäten verschachtelt an einer lichtabgewandten Rückseite eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, sind seit langem bekannt und werden teilweise auch als IBC-Solarzellen (interdigitated back contact) bezeichnet. Bei geeigneter Anpassung der in ihnen eingesetzten Strukturen, insbesondere der Schichtdicken, können solche Rückkontaktsolarzellen derart angepasst werden, dass sie in einer Tandemsolarzelle als Bottomzelle fünktionieren und dabei die beiden Typen von Kontakten nicht nur zum Extrahieren des generierten Stroms aus der Bottomzelle dienen, sondern einer der Kontakte außerdem beispielsweise über Tunnelkontakte derart elektrisch mit der Topzelle verbunden ist, dass über ihn zusammen mit dem Topkontakt auch der in der Topzelle generierte Strom extrahiert werden kann. Der genannte Kontakt wirkt dabei als Mittenabgriffkontakt für die 3TT-Solarzelle, ist jedoch nicht räumlich mittig zwischen der Topzelle und der Bottomzelle sondern an der Rückseite der Bottomzelle angeordnet. Entsprechende Konzepte wurden bereits vorgestellt, beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung zitierten Dokument [4], Dadurch, dass der Mittenabgriffkontakt an der Rückseite der Bottomzelle vorgesehen ist, kann dieser sowohl verhältnismäßig einfach hergestellt als auch von außen kontaktiert werden. Hierdurch kann eine Herstellung der 3TT-Solarzellen und/oder eine Verschaltung der 3TT- Solarzellen innerhalb des Solarmoduls deutlich vereinfacht werden. Back contact solar cells, in which contacts of both polarities are arranged nested on a back side of a semiconductor substrate facing away from the light, have been known for a long time and are sometimes also referred to as IBC solar cells (interdigitated back contact). With suitable adaptation of the structures used in them, in particular the layer thicknesses, such back contact solar cells can be adapted in such a way that they function as a bottom cell in a tandem solar cell and the two types of contacts not only serve to extract the generated current from the bottom cell, but also one of the Contacts are also electrically connected to the top cell, for example via tunnel contacts, in such a way that the one generated in the top cell is also generated via it together with the top contact Electricity can be extracted. The contact mentioned acts as a center tap contact for the 3TT solar cell, but is not arranged spatially in the middle between the top cell and the bottom cell but rather on the back of the bottom cell. Corresponding concepts have already been presented, for example in the document [4] cited in the introduction to the description. Because the center tap contact is provided on the back of the bottom cell, it can be manufactured relatively easily and contacted from the outside. This makes it possible to significantly simplify the production of the 3TT solar cells and/or the interconnection of the 3TT solar cells within the solar module.
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Solarmodule können dazu eingesetzt werden, daraus eine Solaranlage gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung aufzubauen. Die Eigenschaft, dass jedes Solarmodul hierbei mindestens zwei Stromeingangsanschlüsse und/oder zwei Stromausgangsanschlüsse aufweist, kann dabei dazu genutzt werden, benachbarte Solarmodule derart miteinander zu verschalten, dass Verluste wie beispielsweise String-End- Verluste, wie sie bei herkömmlich ausgestalteten und verschalteten Solarmodulen mit 3TT- Solarzellen auftreten, weitgehend vermieden werden. Hierzu wird jeder der Stromausgangsanschlüsse eines der Solarmodule mit einem zugeordneten der Stromeingangsanschlüsse des benachbarten der Solarmodule elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt werden beispielsweise der erste Stromausgang eines Solarmoduls mit dem ersten Stromeingang des benachbarten Solarmoduls und der zweite Stromausgang des Solarmoduls mit dem zweiten Stromeingang des benachbarten Solarmoduls verbunden. Embodiments of the solar modules described herein can be used to build a solar system according to the second aspect of the present invention. The property that each solar module has at least two power input connections and/or two power output connections can be used to interconnect adjacent solar modules in such a way that losses such as string end losses, such as those in conventionally designed and connected solar modules with 3TT - Solar cells occur can be largely avoided. For this purpose, each of the power output connections of one of the solar modules is electrically connected to an assigned power input connection of the neighboring solar module. In other words, for example, the first power output of a solar module is connected to the first power input of the neighboring solar module and the second power output of the solar module is connected to the second power input of the neighboring solar module.
Hierdurch kann, wie weiter unten anhand eines Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert, vermieden werden, dass in jedem der Solarmodule zumindest eine der dem Stromeingang nächstliegende erste 3TT-Solarzelle und/oder eine der dem Stromausgang nächstliegenden letzte 3TT-Solarzelle nicht optimal betrieben werden kann und es dementsprechend zu den genannten End- Verlusten kommt. Stattdessen treten aufgrund der hierin vorgeschlagenen speziellen Verschaltung zwischen benachbarten Solarmodulen über die wenigstens zwei Ausgangs-und Eingangsanschlüsse solche End-Verluste nicht mehr in jedem einzelnen Solarmodul sondern im Idealfall lediglich in einem ersten Solarmodul und/oder einen letzten Solarmodul der gesamten Solaranlage auf. Dementsprechend lässt sich der Einfluss dieser End-Verluste auf den Wirkungsgrad der gesamten Solaranlage erheblich reduzieren. Gemäß einer Ausfiihrungsform sind, mit Ausnahme der Stromeingangsanschlüsse eines ersten der Solarmodule und der Stromausgangsanschlüsse eines letzten der Solarmodule, die Stromeingangsanschlüsse jedes der Solarmodule voneinander elektrisch separiert sind und auch die Stromausgangsanschlüsse jedes der Solarmodule sind voneinander elektrisch separiert. In this way, as explained in more detail below using an exemplary embodiment, it can be avoided that in each of the solar modules at least one of the first 3TT solar cells closest to the power input and/or one of the last 3TT solar cells closest to the power output cannot be operated optimally and accordingly the final losses mentioned occur. Instead, due to the special interconnection proposed herein between adjacent solar modules via the at least two output and input connections, such end losses no longer occur in each individual solar module but ideally only in a first solar module and/or a last solar module of the entire solar system. Accordingly, the influence of these final losses on the efficiency of the entire solar system can be significantly reduced. According to one embodiment, with the exception of the power input connections of a first of the solar modules and the power output connections of a last of the solar modules, the power input connections of each of the solar modules are electrically separated from one another and the power output connections of each of the solar modules are also electrically separated from one another.
Ferner sind, gemäß einer Ausführungsform, bei einem ersten der Solarmodule die wenigstens zwei Stromeingangsanschlüsse elektrisch miteinander kurzgeschlossen oder verbunden und/oder bei einem letzten der Solarmodule sind die wenigstens zwei Stromausgangsanschlüsse elektrisch miteinander kurzgeschlossen oder verbunden. Furthermore, according to one embodiment, in a first of the solar modules the at least two power input terminals are electrically short-circuited or connected to one another and/or in a last of the solar modules the at least two power output terminals are electrically short-circuited or connected to one another.
Anders ausgedrückt ist jeder der Stromeingangsanschlüsse eines Solarmoduls mit lediglich einem der Stromausgangsanschlüsse des benachbarten Solarmoduls, nicht jedoch mit dem anderen Stromeingangsanschluss des gleichen Solarmoduls bzw. dem anderen Stromausgangsanschluss des benachbarten Solarmoduls elektrisch verbunden. Dies gilt vorzugsweise für alle Solarmodule der Solaranlage mit Ausnahme des ersten Solarmoduls und des letzten Solarmoduls. Bei diesen beiden Solarmodulen, die an gegenüberliegenden Enden der Serienverschaltung von Solarmodulen innerhalb der Solaranlage hegen, dienen die Stromeingangsanschlüsse des ersten Solarmoduls sowie die Stromausgangsanschlüsse des letzten Solarmoduls dazu, um die gesamte Solaranlage an einen einzelnen externen Stromkreis anzuschließen. Dementsprechend werden diese beiden „extremalen“ Stromeingangsanschlüsse bzw. Stromausgangsanschlüsse elektrisch miteinander verbunden. Dementsprechend sind an dem ersten Solarmodul und dem letzten Solarmodul End-Verluste nicht zu vermeiden, werden aber an allen dazwischenliegenden Solarmodulen vermieden. In other words, each of the power input connections of a solar module is electrically connected to only one of the power output connections of the neighboring solar module, but not to the other power input connection of the same solar module or the other power output connection of the neighboring solar module. This preferably applies to all solar modules in the solar system with the exception of the first solar module and the last solar module. For these two solar modules, which are at opposite ends of the series connection of solar modules within the solar system, the power input connections of the first solar module and the power output connections of the last solar module are used to connect the entire solar system to a single external circuit. Accordingly, these two “extremal” power input connections and power output connections are electrically connected to one another. Accordingly, final losses cannot be avoided on the first solar module and the last solar module, but are avoided on all solar modules in between.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Ausgestaltungen von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Solarmodul oder teilweise mit Bezug auf eine aus mehreren solchen Solarmodulen zusammengesetzte Solaranlage beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise übertragen, angepasst, ausgetauscht oder modifiziert werden können, um zu weiteren Ausfiihrungsformen der Erfindung zu gelangen. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN It should be noted that possible advantages and refinements of embodiments of the invention are described herein partly with reference to a solar module according to the invention or partly with reference to a solar system composed of several such solar modules. A person skilled in the art will recognize that the features described can be appropriately transferred, adapted, exchanged or modified in order to achieve further embodiments of the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausfiihrungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefiigten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings, whereby neither the drawings nor the description are to be construed as limiting the invention.
Fign. l(a)-(d) veranschaulichen eine Verschaltung von 2TT-Solarzellen, 4TT-Solarzellen, 3TT- Solarzellen in einer s-Typ-Konfiguration sowie 3 TT- Solarzellen in einer r-Typ-Konfiguration. Figs. l(a)-(d) illustrate a connection of 2TT solar cells, 4TT solar cells, 3TT solar cells in an s-type configuration and 3 TT solar cells in an r-type configuration.
Fig. 2(a) zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer 3TT-Solarzelle mit einer Rückkontaktsolarzelle als Bottomzelle in einer r-Typ-Konfiguration. Fig. 2(a) shows a schematic sectional view of a 3TT solar cell with a back contact solar cell as a bottom cell in an r-type configuration.
Fig. 2(b) zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer 3TT-Solarzelle mit einer Rückkontaktsolarzelle als Bottomzelle in einer s-Typ-Konfiguration. Fig. 2(b) shows a schematic sectional view of a 3TT solar cell with a back contact solar cell as a bottom cell in an s-type configuration.
Fig. 3 veranschaulicht eine herkömmliche Verschaltung von 3TT-Solarzellen in einer r-Typ- Konfiguration mit auftretenden End- Verlusten. Fig. 3 illustrates a conventional connection of 3TT solar cells in an r-type configuration with end losses occurring.
Fig. 4 veranschaulicht eine Verschaltung in einem erfindungsgemäßen Solarmodul mit 3TT- Solarzellen in einer r-Typ-Konfiguration mit jeweils zwei separaten Stromeingangs- und Ausgangsanschlüssen sowie mit mehreren ersten und zweiten Bypassdioden. 4 illustrates a circuit in a solar module according to the invention with 3TT solar cells in an r-type configuration, each with two separate power input and output connections and with several first and second bypass diodes.
Fig. 5 veranschaulicht zwei zu einer erfmdungsgemäßen Solaranlage verschaltete Solarmodule. Fig. 5 illustrates two solar modules connected to form a solar system according to the invention.
Fig. 6 veranschaulicht eine Verschaltung in einem erfindungsgemäßen Solarmodul mit 3TT- Solarzellen in einer r-Typ-Konfiguration mit einer stringübergreifend verschalteten Bypassdiode sowie mit jeweils drei separaten Stromeingangs- und Ausgangsanschlüssen zur Ermöglichung einer modulübergreifenden Verschaltung einer Bypassdiode. 6 illustrates a connection in a solar module according to the invention with 3TT solar cells in an r-type configuration with a bypass diode connected across strings and with three separate current input and output connections to enable a bypass diode to be connected across modules.
Fig. 7 zeigt eine geometrische Anordnung und Verschaltung von Bypassdioden in einem erfmdungsgemäßen Solarmodul. Fig. 7 shows a geometric arrangement and connection of bypass diodes in a solar module according to the invention.
Fig. 8 zeigt eine alternative geometrische Anordnung und Verschaltung von Bypassdioden in einem weiteren erfmdungsgemäßen Solarmodul. Fig. 8 shows an alternative geometric arrangement and connection of bypass diodes in a further solar module according to the invention.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellten Abmessungen nicht realitätsnah wiedergegeben sind, sondern lediglich Grundprinzipien veranschaulichen sollen. GleicheThe figures are only schematic and not to scale. In particular, it should be noted that the dimensions shown in the figures are not realistic are reproduced, but are only intended to illustrate basic principles. Same
Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale. Reference numerals designate features that are the same or have the same effect in the various figures.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Mehrfach-, Stapel- oder Tandemsolarzellen 1, wie sie in verschiedenen Ausgestaltungen und Verschaltungen in den Fign. l(a)-(d) als Teilbereiche eines jeweiligen Solarmoduls (19) dargestellt sind, bieten durch die Absorption unterschiedlicher spektraler Anteile in über einanderlieg enden Teilsolarzellen in Form einer Topzelle 3 und einer Bottomzelle 5 die Möglichkeit, deutlich höhere Wirkungsgrade zu erreichen als Solarzellen mit nur einem p-n- Übergang. Multiple, stacked or tandem solar cells 1, as shown in various configurations and circuits in the figures. l(a)-(d) are shown as partial areas of a respective solar module (19), offer the possibility of achieving significantly higher efficiencies than solar cells through the absorption of different spectral components in partial solar cells lying one above the other in the form of a top cell 3 and a bottom cell 5 with only one p-n junction.
Werden, wie in Fig. 1(a) dargestellt, die Teilsolarzellen 3, 5 zur Bildung von 2-Terminal- Tandem-Solarzellen 7 (d.h. eine Zelle mit zwei Anschlüssen bzw. Kontakten) übereinandergestapelt und in Serie verschaltet, kann es zu Verlusten durch Stromfehlanpassung kommen. Ursachen dafür sind einerseits, dass die Bandlücken der beiden Teilsolarzellen 3, 5 bedingt durch technologische Rahmenbedingungen meist nicht optimal gewählt sind und eine Teilsolarzelle einen höheren Strom generiert als die andere. Der niedrigere Teilzellstrom limitiert dann den gesamten Strom der 2TT-Solarzelle. Andererseits kann es auch bei optimaler Wahl der Bandlücken beispielsweise durch eine Veränderung des eingestrahlten Spektrums zu Stromfehlanpassungseffekten kommen. If, as shown in Fig. 1(a), the partial solar cells 3, 5 are stacked on top of each other and connected in series to form 2-terminal tandem solar cells 7 (i.e. a cell with two connections or contacts), losses can occur Current mismatch occurs. The reasons for this are, on the one hand, that the band gaps of the two partial solar cells 3, 5 are usually not optimally selected due to technological conditions and one partial solar cell generates a higher current than the other. The lower partial cell current then limits the entire current of the 2TT solar cell. On the other hand, even if the band gaps are optimally selected, current mismatch effects can occur, for example due to a change in the irradiated spectrum.
Verluste durch Fehlanpassung des Stromes können vermieden werden, wenn die einzelnen Teilsolarzellen 3, 5, wie in Fig. 1(b) dargestellt, separat kontaktiert und verschaltet werden. Eine Tandemsolarzelle 1 weist hierzu vier Anschlüsse bzw. Kontakte auf, d.h. jeweils zwei Anschlüsse für jede Teilsolarzelle 3, 5 und wird daher als 4-Terminal-Tandem-Solarzelle 9 bezeichnet. Dabei können die jeweiligen Teilsolarzellen 3, 5 am optimalen Arbeitspunkt arbeiten. Dafür müssen aber alle Teilsolarzellen separat prozessiert, kontaktiert und verschaltet werden, was in der Regel einen erhöhten Aufwand und optische Verschattung bedeutet. Losses due to mismatching of the current can be avoided if the individual partial solar cells 3, 5 are contacted and connected separately, as shown in Fig. 1(b). For this purpose, a tandem solar cell 1 has four connections or contacts, i.e. two connections for each partial solar cell 3, 5 and is therefore referred to as a 4-terminal tandem solar cell 9. The respective partial solar cells 3, 5 can work at the optimal operating point. However, all partial solar cells must be processed, contacted and connected separately, which usually means increased effort and optical shading.
Auch Tandem-Solarzellen 1 mit drei Terminalkontakten, d.h. 3TT-Solarzellen 11, wie sie in den Fign. 1(c) und 1(d) dargestellt sind, ermöglichen, Verluste durch Fehlanpassung des Stromes deutlich zu reduzieren. Fig. 1(c) zeigt dabei eine sogenannte s-Typ-Konfiguration, bei der die Topzelle 3 und die Bottomzelle 5 in gleicher Richtung gepolt sind und somit in Serie verschaltet sind. Fig. 1(d) zeigt eine sogenannte r-Typ-Konfiguration dar, bei der die Topzelle 3 und die Bottomzelle 5 in umgekehrter Richtung, d.h. „reverse“, gepolt sind. Tandem solar cells 1 with three terminal contacts, ie 3TT solar cells 11, as shown in Figs. 1(c) and 1(d), also make it possible to significantly reduce losses due to mismatching of the current. Fig. 1(c) shows a so-called s-type configuration in which the top cell 3 and the bottom cell 5 are polarized in the same direction and thus connected in series. Fig. 1(d) shows a so-called r-type configuration in which the top cell 3 and the bottom cell 5 are polarized in the opposite direction, ie “reverse”.
Eine attraktive Variante einer 3TT-Solarzelle 11 bietet die Verwendung einer Bottomzelle 5 als IBC-Solarzelle mit zwei ineinander verschachtelt angeordneten Rückkontakten und einem Kontakt an der Vorderseite, der einen Kontakt zur Topzelle 3 ermöglicht. Ein Konzept für eine solche 3TT-Solarzelle 11 ist beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung genannten Dokument [4] erläutert. An attractive variant of a 3TT solar cell 11 offers the use of a bottom cell 5 as an IBC solar cell with two nested rear contacts and a contact on the front, which enables contact with the top cell 3. A concept for such a 3TT solar cell 11 is explained, for example, in the document [4] mentioned in the introduction to the description.
Fign. 2(a) und 2(b) zeigen Ausgestaltungen einer solchen 3TT-Solarzelle 11, wobei eine Kontaktanordnung und -bezeichnung nach der Konvention gemäß Warren et al. (siehe in der Beschreibungseinleitung genanntes Dokument [9]) vorgenommen ist. Gleichartige Dotierungen sind dabei jeweils durch eine gleichartige Weise der Schraffierung in den Figuren wiedergegeben. Die 3TT-Solarzellen können in unterschiedlichen Typen hergestellt werden, die sich in „reverse“ -Verschaltung, d.h. als r-Typ-Konfiguration wie in Fig. 2(a) dargestellt, und „series“-Verschaltung, d.h. als s-Typ-Konfiguration wie in Fig. 2(b) dargestellt, einordnen lassen. Aufgrund der einfacheren Verschaltung wird im Folgenden vorwiegend die „reverse“ Variante diskutiert. Die Terminalkontakte der 3TT-Solarzellen 11 werden nach ihren Eigenschaften bezeichnet. Der Topkontakt 13 oder T-Kontakt ist der einzige zugängliche Kontakt an der Topzelle 3. Der Topkontakt 13 kontaktiert dabei die von der Bottomzelle 5 abgewandte Seite der Topzelle 3. Der Bottomkontakt 15 oder R-Kontakt (für “raiz” or “root”) ist derjenige Kontakt der beiden rückseitigen Kontakte der Bottomzelle 5 mit der entgegengesetzten Polarität des Vorderseiten-Kontaktes der Bottom-Zelle. Der Bottomkontakt 15 kontaktiert dabei die von der Topzelle 3 abgewandte Seite der Bottomzelle 5. Der Mittenabgriffkontakt 17 oder Z-Kontakt (für „zusätzlich“) ist derjenige Rückkontakt mit der gleichen Polarität der Bottomzellen-Vorderseite, also der zusätzliche Kontakt, um die Ladungsträger zu extrahieren. Der Mittenabgriffkontakt kontaktiert somit eine Seite der Bottomzelle 5 elektrisch, welche der von dem Bottomkontakt 15 kontaktierten Seite entgegengesetzt ist und relativ zu dieser eine entgegengesetzte Polarität aufweist. Damit ist der Mittenabgriffkontakt 17 auch in der Lage, Ladungsträger, die in der Topzelle 3 getrennt wurden, aus der Grenzfläche zwischen der Topzelle 3 und der Bottomzelle 5 zu extrahieren. Der Mittenabgriffkontakt 17 kann hierbei geometrisch zwischen der Topzelle 3 und der Bottomzelle 5 angeordnet sein, im Falle einer Rückseitenkontaktierung ähnlich wie bei einer IBC-Solarzelle kann der Mittenabgriffkontakt 17 jedoch alternativ geometrisch auch an der Rückseite der Bottomzelle 5, d.h. seitlich benachbart zu dem Bottomkontakt 15, angeordnet sein und dabei als elektrisch mit der Grenzfläche zwischen der Topzelle 3 und der Bottomzelle 5 verbunden wirken. Figs. 2(a) and 2(b) show embodiments of such a 3TT solar cell 11, wherein the contact arrangement and designation are carried out according to the convention according to Warren et al. (see document [9] mentioned in the introduction to the description). Similar dopings are represented by a similar type of hatching in the figures. The 3TT solar cells can be manufactured in different types, which can be classified into "reverse" connection, i.e. as an r-type configuration as shown in Fig. 2(a), and "series" connection, i.e. as an s-type configuration as shown in Fig. 2(b). Due to the simpler connection, the "reverse" variant is mainly discussed below. The terminal contacts of the 3TT solar cells 11 are named according to their properties. The top contact 13 or T-contact is the only accessible contact on the top cell 3. The top contact 13 contacts the side of the top cell 3 facing away from the bottom cell 5. The bottom contact 15 or R-contact (for “raiz” or “root”) is the contact of the two rear contacts of the bottom cell 5 with the opposite polarity of the front contact of the bottom cell. The bottom contact 15 contacts the side of the bottom cell 5 facing away from the top cell 3. The center tap contact 17 or Z-contact (for “additional”) is the rear contact with the same polarity as the front of the bottom cell, i.e. the additional contact for extracting the charge carriers. The center tap contact thus electrically contacts a side of the bottom cell 5 which is opposite to the side contacted by the bottom contact 15 and has an opposite polarity relative to it. The center tap contact 17 is thus also able to extract charge carriers that were separated in the top cell 3 from the interface between the top cell 3 and the bottom cell 5. The center tap contact 17 can be arranged geometrically between the top cell 3 and the bottom cell 5, but in the case of a rear-side contact similar to an IBC solar cell, the center tap contact 17 can alternatively be arranged geometrically on the rear of the bottom cell 5, ie laterally adjacent to the bottom contact 15. and thereby act as electrically connected to the interface between the top cell 3 and the bottom cell 5.
In den Fign. 2(a) und 2(b) sind ergänzend die zwischen den verschiedenen Terminalkontakten 13, 15, 17 vorherrschenden elektrischen Spannungen angegeben. Vtop ist hierbei die von der Topzelle 3 generierte Spannung und Vbot ist die von der Bottomzelle 5 generierte Spannung. VRT ist die zwischen dem Bottomkontakt 15 und dem Topkontakt 13 anliegende Spannung, VZT ist die zwischen dem Mittenabgriffkontakt 17 und dem Topkontakt 13 anliegende Spannung und VRZ ist die zwischen dem Bottomkontakt 15 und dem Mittenabgriffkontakt 17 anliegende Spannung. In Figs. 2(a) and 2(b) additionally indicate the electrical voltages prevailing between the various terminal contacts 13, 15, 17. Vt op is the voltage generated by the top cell 3 and Vbot is the voltage generated by the bottom cell 5. VRT is the voltage present between the bottom contact 15 and the top contact 13, VZT is the voltage present between the center tap contact 17 and the top contact 13 and VRZ is the voltage present between the bottom contact 15 and the center tap contact 17.
Vorteile von 3TT-Solarzellen bestehen unter anderem darin, dass Advantages of 3TT solar cells include:
(i) damit gebildete Solarmodule als bifaziale Tandemmodule im Freifeld zu betreiben sind, da die Top- und Bottom-Solarzelle nicht denselben Strom aufweisen müssen. Damit wird eine wesentliche Markteinstiegshürde umgangen, da sich der Mehrertrag von Tandemmodulen sich nicht nur gegenüber monofazialen Siliziummodulen sondern gegen bifazialen Siliziummodulen messen muss. Diese weisen einen Mehrertrag gegenüber monofazialen PV-Modulen mit demselben Wirkungsgrad von ca. 5%-20% je nach Einsatzweise und Einsatzort auf; (i) solar modules formed with this can be operated as bifacial tandem modules in the open field, since the top and bottom solar cells do not have to have the same current. This avoids a major market entry hurdle, as the additional yield of tandem modules must not only be compared to monofacial silicon modules but also to bifacial silicon modules. These have an additional yield compared to monofacial PV modules with the same efficiency of approx. 5%-20% depending on the method of use and location;
(ii) geringe Verluste bei nicht optimal angepasster Bandlücke bzw. Spannung am Punkt maximaler Leistung möglich sind. Dadurch kann die Auswahl der Topzelle 3 bezüglich anderer Kriterien wie Zuverlässigkeit oder Wirkungsgrad der Topzelle getroffen werden; (ii) low losses are possible when the band gap or voltage at the point of maximum power is not optimally adjusted. This allows the selection of the top cell 3 to be made with regard to other criteria such as the reliability or efficiency of the top cell;
(iii) sich die Spannung je zusätzlicher Solarzelle in einem String von Solarzellen nur um die Spannung der Bottomzelle und nicht um die gemeinsame Spannung der Bottom- plus Topzelle erhöht. Dies ermöglicht mehr Photo voltaikmodule je Modulstrang und damit werden weniger Kabel im Systemaufbau notwendig. (iii) the voltage per additional solar cell in a string of solar cells only increases by the voltage of the bottom cell and not by the combined voltage of the bottom plus top cell. This enables more photovoltaic modules per module string and therefore fewer cables are necessary in the system structure.
Wie in den Fign. 1(c) und 1(d) als Teilbereichsansicht veranschaulicht, lassen 3TT-Solarzellen 11 sich durch eine Kombination aus Reihen- und Parallelverschaltung in ein Solarmodul 19 integrieren. Da die Topzellen 3 eine deutlich höhere Spannung erzeugen als die Bottomzellen 5, wird z.B. eine einzelne Topzelle 3 parallel zu zwei Bottomzellen 5 verschaltet. Dazu wird ein Topkontakt 13, d.h. ein von der Bottomzelle 5 abgewandter Kontakt der Topzelle 3, zu einem Kontakt der entgegengesetzten Polarität der übernächsten 3TT-Solarzelle 11 geführt, wobei es sich hierbei um einen Mittenabgriffkontakt 17 handelt. As in Figs. 1(c) and 1(d) illustrated as a partial view, 3TT solar cells 11 can be integrated into a solar module 19 through a combination of series and parallel connection. Since the top cells 3 generate a significantly higher voltage than the bottom cells 5, for example a single top cell 3 is connected in parallel to two bottom cells 5. For this purpose, a top contact 13, i.e. a contact of the top cell 3 facing away from the bottom cell 5, is led to a contact of the opposite polarity of the next but one 3TT solar cell 11, which is a center tap contact 17.
Da am Ende eines Strings keine übernächste 3TT-Solarzelle 11 vorhanden ist, kommt es dort zu Verlusten in der Größenordnung der Leistung von ein bis zwei 3TT-Solarzellen, je nach Zelldesign bzw. Konfiguration und/oder Art der Verschaltung. Die Verluste an den Enden der Strings wurden theoretisch untersucht, beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung genannten Dokument [5] und die Überlegungen zur Anpassung der Spannung durch die Verschaltung der Zellen wurden seit der Einführung der 3TT-Solarzellen diskutiert, beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung genannten Dokument [2], Eine mögliche Weise einer Verschaltungstechnik für 3T Tandem-PV-Module wurde in dem Dokument [10] vorgestellt. Für die Verschaltung von 3TT-Solarzellen im Solarmodul existiert demnach eine praktisch umsetzbare Lösung. Dabei wird darauf hingewiesen, dass anstatt der Verschaltung von 3TT-Solarzellen mittels einer gemeinsamen Verbinder Struktur, auf die dann verschiedene Terminalkontakte der 3TT-Solarzellen mit unterschiedlichen Methoden angeschlossen bzw. verschaltet werden, wie dies in Dokument [10] beschrieben wird, alternativ auch durchgängige Verbinder eingesetzt werden können, mittels welcher typischerweise benachbarte Solarzellen innerhalb eines Moduls kontaktiert und verschaltet werden, wobei üblicherweise ein einzelner Verbinder von einer Frontseite einer 3TT-Solarzelle zu einer Rückseite einer benachbarten 3TT- Solarzelle geführt wird. Since there is no 3TT solar cell 11 at the end of a string, losses occur there in the order of magnitude of the power of one to two 3TT solar cells, depending on Cell design or configuration and/or type of interconnection. The losses at the ends of the strings have been investigated theoretically, for example in the document mentioned in the introduction to the description [5], and the considerations for adjusting the voltage by interconnecting the cells have been discussed since the introduction of 3TT solar cells, for example in the document mentioned in the introduction to the description [2]. A possible way of interconnecting technology for 3T tandem PV modules was presented in the document [10]. There is therefore a practically implementable solution for interconnecting 3TT solar cells in the solar module. It is pointed out that instead of interconnecting 3TT solar cells by means of a common connector structure, to which different terminal contacts of the 3TT solar cells are then connected or interconnected using different methods, as described in document [10], continuous connectors can alternatively be used, by means of which typically neighboring solar cells within a module are contacted and interconnected, whereby a single connector is usually led from a front side of a 3TT solar cell to a back side of a neighboring 3TT solar cell.
Fig. 3 zeigt eine mögliche herkömmliche Verschaltung von 3TT-Solarzellen 11 in einer Kombination aus Reihen- und Parallelverschaltung zur Modulintegration. An beiden Enden eines Strings 21 gibt es je zwei Verdrahtungsenden 23. Diese sind herkömmlich durch elektrische Verbinder 25 miteinander verbunden, um den vom String 21 erzeugten Strom aus dem Solarmodul 19 an einem Stromeingangsanschluss 27 und einem Stromausgangsanschluss 29 extrahieren zu können. Anders ausgedrückt wird durch die Verbinder 25 an jedem String -Ende sichergestellt, dass der im String 21 erzeugte Strom aus dem String 21 extrahiert werden kann. Fig. 3 shows a possible conventional connection of 3TT solar cells 11 in a combination of series and parallel connection for module integration. There are two wiring ends 23 at both ends of a string 21. These are conventionally connected to one another by electrical connectors 25 in order to be able to extract the power generated by the string 21 from the solar module 19 at a power input connection 27 and a power output connection 29. In other words, the connectors 25 at each string end ensure that the current generated in the string 21 can be extracted from the string 21.
Durch diese Verbinder 25 wird jedoch die Bottomzelle 5‘ der ersten 3TT-Solarzelle 11 ‘ des Strings 21 (in Fig. 3 ganz links) kurzgeschlossen und ihre Leistung nicht extrahiert. Ferner wird an jedem String-Ende, d.h. an der ersten 3 TT-Solarzelle 11 ‘ und der letzten 3TT-Solarzelle 11“, die dortiger Topzelle 3‘, 3“ nur bei etwa 50% ihrer Spannung betrieben. Dies führt zu Verlusten, die auch als String-End -Verluste bezeichnet werden und die im dargestellten Fall in der Höhe der Leistung von ungefähr einer 3TT-Solarzelle hegen. Durch die Verbindung der Verdrahtungsenden 23 mit den Verbindern 25 lässt sich ferner eine gemeinsame Bypass-Diode 31 parallel zu allen 3TT-Solarzellen 11 des Strings 21 einschließlich aller Topzellen 3 und aller Bottomzellen 5 verschalten. Das bedeutet, dass String-End- Verluste bei der Integration jeder Bypass-Diode auftreten. Dieses Vorgehen führt bei einer aktuell typischen Stringlänge von 20 Zellen zu etwa 5% Leistungsverlust, was den Vorteil der 3TT-Solarzellen gegenüber z.B. 2TT- Solarzellen oft mehr als überkompensiert. Im Falle von Perowskit-Solarzellen ist oft sogar nur eine geringe Stringlänge pro Bypass-Diode möglich und somit der Einfluss der End-Verluste noch erheblicher. However, these connectors 25 short-circuit the bottom cell 5' of the first 3TT solar cell 11' of the string 21 (far left in FIG. 3) and its power is not extracted. Furthermore, at each string end, ie at the first 3TT solar cell 11' and the last 3TT solar cell 11", the top cell 3', 3" there is only operated at around 50% of its voltage. This leads to losses, also known as string-end losses, which in the case shown are equivalent to the output of approximately a 3TT solar cell. By connecting the wiring ends 23 with the connectors 25, a common bypass diode 31 can also be connected in parallel to all 3TT solar cells 11 of the string 21 including all top cells 3 and all bottom cells 5. This means that string end losses occur when integrating each bypass diode. This procedure results in a currently typical string length of 20 Cells suffer a power loss of around 5%, which often more than compensates for the advantage of 3TT solar cells over, for example, 2TT solar cells. In the case of perovskite solar cells, often only a small string length is possible per bypass diode and the influence of the final losses is therefore even greater.
Mit dem in dieser Patentanmeldung diskutierten Ansatz werden sowohl Methoden diskutiert, um die String-End- Verluste von einer Modul ebene (mit typischerweise ca. 60 Zellen) bzw. einer Substringebene (typischerweise ein 1/3 Modul mit ca. 20 Zellen) auf eine Systemebene z.B. einer Solaranlage (mit typischerweise bis zu 2000 Zellen) zu transferieren, um ihren relativen Beitrag zu minimieren, als auch eine vorteilhafte Möglichkeit einer Integration von Bypassdioden adressiert. With the approach discussed in this patent application, both methods are discussed to reduce the string end losses from a module level (with typically approx. 60 cells) or a substring level (typically a 1/3 module with approx. 20 cells) to one System level e.g. a solar system (typically with up to 2000 cells) in order to minimize their relative contribution, as well as an advantageous possibility of integrating bypass diodes.
Insbesondere adressieren Ausführungsformen der Erfindung folgende Aspekte: In particular, embodiments of the invention address the following aspects:
(i) Eine elektrische Verbindung zwischen Solarmodulen zu einer Solaranlage mit beispielsweise einem Kabel mit zwei Adem oder mit zwei Kabeln; (i) An electrical connection between solar modules to a solar system with, for example, a cable with two wires or with two cables;
(ii) Eine Integration von Bypassdioden ohne eine Notwendigkeit, Kontakte bzw. Verdrahtungsenden am Ende von Strings zusammen zu führen; (ii) An integration of bypass diodes without the need to bring together contacts or wiring ends at the end of strings;
(iii) Ein Moduldesign für Module in der Mitte und an den Enden von Strings durch die externe Kombination der Kontakte (z.B. Modulkontakte, die außerhalb des Modules kombiniert werden), z.B. durch geeignete Stecker oder Verbinder. (iii) A module design for modules in the middle and at the ends of strings through the external combination of the contacts (e.g. module contacts combined outside the module), e.g. through suitable plugs or connectors.
Fig. 4 stellt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarmoduls 19 dar, bei dem 3TT- Solarzellen 11 in einer speziellen Weise untereinander und mit zwei Stromeingangsanschlüssen 27‘, 27“ und zwei Stromausgangsanschlüssen 29‘, 29“ verdrahtet sind. Dabei sind ferner in jedem von zwei beispielhaft dargestellten Substrings 21 ‘, 21‘ ‘ zumindest eine erste Bypassdiode 33 und eine zweite Bypassdiode 35 vorgesehen. 4 shows an embodiment of a solar module 19 according to the invention, in which 3TT solar cells 11 are wired to one another in a special way and to two power input connections 27 ', 27 "and two power output connections 29 ', 29". Furthermore, at least a first bypass diode 33 and a second bypass diode 35 are provided in each of two substrings 21′, 21″ shown as examples.
Fig. 5 veranschaulicht, wie zwei erfindungsgemäße Solarmodule 19 zu einer erfindungsgemäßen Solaranlage 37 verschaltet werden können. Dabei wird angemerkt, dass reale Solaranlagen selbstverständlich im Allgemeinen mehr als zwei Solarmodule 19 umfassen, dass ein Prinzip der Verdrahtung jedoch an diesem reduzierten Beispiel gut erkennbar ist. Fig. 5 illustrates how two solar modules 19 according to the invention can be connected to form a solar system 37 according to the invention. It is noted that real solar systems naturally generally comprise more than two solar modules 19, but that a principle of the wiring is clearly visible in this reduced example.
Bezüglich dem obigen Aspekt (i) zeigen die Fign. 4 und 5 ein Herausführen aller String-Enden unterschiedlicher Potentiale zu Terminalkontakten in Form der jeweils zwei Stromeingangsanschlüsse 27 und Stromausgangsanschlüsse 29. Dadurch werden die Substrings 21‘, 21“ mehrerer benachbarter Solarmodule 19 über physische Grenzen der Solarmodule 1 hinaus zu einem Gesamtstring verbunden. Durch das Verbinden der Solarmodule 19 untereinander über die jeweils zwei Stromeingangsanschlüsse 27 und Stromausgangsanschlüsse 29 wird es ermöglicht, allen Topzellen 3 in dem Gesamtstring (mit Ausnahme der Topzelle 3 einer allerletzten 3TT-Solarzelle 11) jeweils eine übernächste Bottomzelle 5 zur Parallelverschaltung zur Verfügung zu stellen und das Verschaltungskonzept über die Modulgrenzen hinweg zu erweitern. Dadurch schieben sich die String-End- Verluste, wie sie ansonsten in jedem der Substrings 21 ‘, 21“ parallel zu einer Bypassdiode 31 (d.h. bei jeweils typischerweise 20 oder weniger Zellen) auftreten würden, auf eine Systemebene (mit typischerweise bis zu 2000 und mehr Zellen) mit einer Vielzahl miteinander verschalteter Solarmodule 1, was einen relativen Beitrag der String-End- Verluste um zwei Größenordnungen (d.h. von 1/20 = 5% auf 1/2000 = 0,05% reduziert). Regarding aspect (i) above, Figs. 4 and 5 all string ends of different potentials are led out to terminal contacts in the form of the two current input connections 27 and current output connections 29. This creates the substrings 21', 21" of several neighboring solar modules 19 are connected beyond the physical boundaries of the solar modules 1 to form an overall string. By connecting the solar modules 19 to one another via the two current input connections 27 and current output connections 29, it is possible to provide all top cells 3 in the overall string (with the exception of the top cell 3 of a very last 3TT solar cell 11) with a bottom cell 5 after that for parallel connection and to expand the interconnection concept beyond the module boundaries. As a result, the string end losses, as they would otherwise occur in each of the substrings 21 ', 21 "in parallel with a bypass diode 31 (ie with typically 20 or fewer cells each), are pushed to a system level (typically with up to 2000 and more cells) with a large number of interconnected solar modules 1, which reduces a relative contribution of the string end losses by two orders of magnitude (ie from 1/20 = 5% to 1/2000 = 0.05%).
Bezüglich dem obigen Aspekt (ii) zeigen die Fign. 4 und 5 schematisch die Integration der ersten Bypassdioden 33 und zweiten Bypassdioden 35. Die ersten Bypassdioden 33 (in den Figuren unten verlaufend dargestellt) sichern den jeweiligen Substring 21 ‘, 21‘ ‘ ab, ähnlich wie in einem aktuellen 2TT-Solarzellen- oder Single-Junction-Solarzellen-Solarmodul. Hierbei ist jedoch die letzte Topzelle 3“ jedes Substrings 21 ‘, 21“ nicht abgesichert und wird daher durch eine separate zweite Diode 35 abgesichert. With regard to aspect (ii) above, Figs. 4 and 5 schematically show the integration of the first bypass diodes 33 and second bypass diodes 35. The first bypass diodes 33 (shown running down in the figures) protect the respective substring 21 ', 21' ', similar to a current 2TT solar cell or single junction solar cell solar module. However, the last top cell 3" of each substring 21 ', 21" is not protected and is therefore protected by a separate second diode 35.
Am Ende des Gesamtstrings, der sich durch die beschriebene Verschaltung über mehrerer Solarmodule 19 hin erstreckt, müssen die Gesamtstring -Enden 43 für einen Anschluss an eine Leistungselektronik bzw. einen Wechselrichter im Allgemeinen zusammengeführt werden, um eine Ableitung des generierten Stroms aus drei parallelen Strängen zu ermöglichen. Dabei umfasst ein erster Strang eine erste Vielzahl von jeweils in Serie verschalteten, jeweils übernächsten Topzellen 3, ein zweiter Strang umfasst eine zweite Vielzahl von jeweils in Serie verschalteten, ebenfalls jeweils übernächsten anderen Topzellen 3 und ein dritter Strang umfasst eine Vielzahl von jeweils in Serie verschalteten, jeweils nächsten Bottomzellen. At the end of the overall string, which extends through the described interconnection over several solar modules 19, the overall string ends 43 must generally be brought together for connection to power electronics or an inverter in order to derive the generated current from three parallel strands make possible. A first strand comprises a first plurality of top cells 3 connected in series, each next to the next, a second strand comprises a second plurality of top cells 3, each connected in series, also connected in series, and a third strand comprises a plurality of top cells 3, each connected in series , each next bottom cell.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in den Fign. 3 bis 5 dargestellten Beispiele jeweils für den Fall gelten, dass die von den Topzellen 3 bei Beleuchtung erzeugten Spannungen Vtop in etwa doppelt so groß sind wie diejenigen Spannungen Vbot der Bottomzellen 5, das heißt, dass ein Verhältnis Vtop / Vbot ein ganzzahliges Verhältnis (m : n) ist, welches im konkreten Fall gleich (2 : 1) ist. Dementsprechend umfasst die beschriebene Verschaltung jeweils n = 1 in Serie verschaltete Topzellen 3, die parallel zu m = 2 in Serie verschalteten Bottomzellen 5 verschaltet sind. Dabei werden m = 2 zueinander parallele Stränge von in Serie verschalteten Topzellen 3 vorgesehen. It is noted that the ones shown in Figs. 3 to 5 each apply to the case that the voltages Vt op generated by the top cells 3 when illuminated are approximately twice as large as those voltages Vbot of the bottom cells 5, that is to say that a ratio Vtop / Vbot is an integer ratio ( m: n), which in this specific case is equal to (2:1). Accordingly, the circuit described includes n = 1 in series connected top cells 3, which are connected in parallel to m = 2 bottom cells 5 connected in series. In this case, m = 2 mutually parallel strands of top cells 3 connected in series are provided.
Es ist darauf hinzuweisen, dass generell die Spannungsverhältnisse der Top- und Bottomzellen in anderer Weise in ganzzahligen Verhältnissen m : n aufeinander abgestimmt (d.h. „gematched“) sein können, z.B. Vtop / Vbot = (m : n) = (3 : 2) (nicht in den Figuren dargestellt). It should be noted that in general the voltage ratios of the top and bottom cells can be coordinated (ie "matched") in integer ratios m: n in another way, e.g. Vt op / Vbot = (m: n) = (3: 2 ) (not shown in the figures).
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Solarzellenmoduls 1, welche sich insbesondere hinsichtlich der Bereitstellung und Verschaltung von Bypassdioden sowie hinsichtlich der Art, wie dieses Solarzellenmodul 1 mit benachbarten Modulen zu verschalten ist, von derjenigen aus den Fign. 4 und 5 unterscheidet. Fig. 6 shows an alternative embodiment of a solar cell module 1, which differs from the one in Figures in particular with regard to the provision and interconnection of bypass diodes and with regard to the way in which this solar cell module 1 is to be interconnected with neighboring modules. 4 and 5 differs.
Insbesondere verfügt dieses Solarzellenmodul 1 über eine in der Mitte des Solarmoduls 19 stringübergreifend verschaltete Bypassdiode 34. Diese ist einerseits mit einer vorletzten Zelle 3TT-Solarzelle 11‘ “ vor der letzten 3TT-Solarzelle 11“ des vorherliegend benachbarten Substrings 21“ und anderseits mit der letzten Solarzelle 11“ des zu sichernden Substrings 21 ‘ verbunden. Im dargestellten Beispiel ist die stringübergreifend verschaltete Bypassdiode 34 mit dem Bottomkontakt 15 der vorletzten Zelle 3TT-Solarzelle 11‘“ des vorherliegend benachbarten Substrings 21“ einerseits und mit dem Bottomkontakt 15 der letzten Solarzelle 11“ des zu sichernden Substrings 21 ‘ andererseits verbunden. Auf diese Weise ist die letzte Solarzelle 11“ in dem vorherliegend benachbarten Substrings 21“ sowohl an die ihrem Substring“ zugeordnete Bypassdiode 36 als auch an die dem benachbarten Substring 21 ‘ zugeordnete stringübergreifende Bypassdiode 34 angeschlossen. Dadurch wird auch ihre Topzelle 3‘“ abgesichert, sodass auf eine zweite Bypassdiode 35, wie sie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 vorgeschlagen wurde, verzichtet werden kann. In particular, this solar cell module 1 has a bypass diode 34 connected across strings in the middle of the solar module 19. This is on the one hand with a penultimate cell 3TT solar cell 11' "in front of the last 3TT solar cell 11" of the previously adjacent substring 21" and on the other hand with the last Solar cell 11" of the substring 21 'to be secured is connected. In the example shown, the bypass diode 34 connected across strings is connected to the bottom contact 15 of the penultimate cell 3TT solar cell 11'' of the previously adjacent substring 21'' on the one hand and to the bottom contact 15 of the last solar cell 11'' of the substring 21' to be secured on the other hand. In this way, the last solar cell 11" in the previously adjacent substring 21" is connected both to the bypass diode 36 assigned to its substring "and to the cross-string bypass diode 34 assigned to the adjacent substring 21 '. As a result, its top cell 3'' is also protected, so that a second bypass diode 35, as proposed for the exemplary embodiment in FIG. 4, can be dispensed with.
Ferner verfugt dieses Solarzellenmodul 1 zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Stromeingangsanschluss 27‘, 27“ über einen weiteren Stromeingangsanschluss 27“ ‘ und/oder zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Stromausgangsanschluss 29‘, 29“ über einen weiteren Stromeingangsanschluss 29“ ‘. Ferner verfugt das Solarmodul 1 über zumindest eine Bypassdiode 36, welche derart verschaltet ist, dass sie sowohl 3TT-Solarzellen 11 des betreffenden Solarmoduls 1 als auch zumindest eine 3TT-Solarzelle 11 eines benachbarten Solarmoduls absichern kann. Diese Bypassdiode wird hierin daher auch als modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode 36 bezeichnet. Im dargestellten Beispiel ist diese modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode 36 einerseits mit dem weiteren Stromeingangsanschluss 27“ ‘ und andererseits mit dem Bottomkontakt 15 einer der 3TT-Solarzellen 11 in dem Solarmodul 1 elektrisch kontaktiert. Ferner umfasst das gesamte Solarmodul neben der modulübergreifend zu verschaltenden Bypassdiode 36 auch noch eine weitere Bypassdiode, die wie vorangehend beschrieben als stringübergreifende Bypassdiode 34 verschaltet ist. Dabei ist diese Bypassdiode 34 zwischen dem Mittenabgriffkontakt 17 derjenigen 3TT-Solarzelle 11“ des im Beispiel links dargestellten Substrings 11“, deren Bottomkontakt 15 von der modulübergreifenden Bypassdiode 36 kontaktiert wird, und dem Bottomkontakt 15“ der letzten 3 TT- Solarzelle 11“ des im Beispiel links dargestellten Substrings 21‘ verschaltet. Da hierdurch jedoch nicht die Topzelle 3“ der letzten 3TT-Solarzelle 11“ abgesichert wird, wird der Mittenabgriffkontakt 17“ dieser letzten 3 TT-Solarzelle 11“ mit dem weiteren Stromausgangsanschluss 29“ ‘ verschaltet. Furthermore, this solar cell module 1 has, in addition to the first and second power input connections 27', 27", a further power input connection 27"' and/or, in addition to the first and second power output connections 29', 29", a further power input connection 29"'. Furthermore, the solar module 1 has at least one bypass diode 36, which is connected in such a way that it can protect both 3TT solar cells 11 of the relevant solar module 1 and at least one 3TT solar cell 11 of an adjacent solar module. This bypass diode is therefore also referred to herein as a bypass diode 36 to be connected across modules. In the example shown, this bypass diode 36, which is to be connected across modules, is electrically contacted on the one hand with the further power input connection 27"' and on the other hand with the bottom contact 15 of one of the 3TT solar cells 11 in the solar module 1. Furthermore, in addition to the bypass diode 36, which is to be connected across modules, the entire solar module also comprises a further bypass diode, which is connected as a cross-string bypass diode 34 as described above. This bypass diode 34 is connected between the center tap contact 17 of the 3TT solar cell 11" of the substring 11" shown on the left in the example, the bottom contact 15 of which is contacted by the cross-module bypass diode 36, and the bottom contact 15" of the last 3 TT solar cell 11" of the substring 21' shown on the left in the example. However, since this does not protect the top cell 3" of the last 3TT solar cell 11", the center tap contact 17" of this last 3 TT solar cell 11" is connected to the further current output connection 29"'.
Indem nun zwischen benachbarten Solarmodulen 1 deren weiterer Stromeingangsanschluss 27“ ‘ jeweils mit dem weiteren Stromausgangsanschluss 29“ ‘ des benachbarten Solarmoduls 1 verschaltet wird, kann die modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode 36 auch die Topzelle 3“ der letzten 3TT-Solarzelle 11“ in dem benachbarten Solarmodul 1 absichern. Auf ein Vorsehen einer oder mehrerer zweiter Bypassdioden 35 kann bei diesem Ausführungsbeispiel daher verzichtet werden. By now interconnecting the additional power input connection 27" between adjacent solar modules 1 with the additional current output connection 29" of the adjacent solar module 1, the bypass diode 36, which is to be interconnected across modules, can also be the top cell 3" of the last 3TT solar cell 11" in the adjacent solar module 1 secure. The provision of one or more second bypass diodes 35 can therefore be dispensed with in this exemplary embodiment.
Fign. 7 und 8 zeigen mögliche geometrische Anordnungen der Bypassdioden 33, 35 in jeweiligen Substrings 21 eines 3TT-Solarmoduls 19 für 3TT-Solarzellen 11 mit hoher Spannungsfestigkeit (Fig. 7) und niedriger Spannungsfestigkeit (Fig. 8). Figs. 7 and 8 show possible geometric arrangements of the bypass diodes 33, 35 in respective substrings 21 of a 3TT solar module 19 for 3TT solar cells 11 with high dielectric strength (Fig. 7) and low dielectric strength (Fig. 8).
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausgestaltung sind hierbei mehrere 3TT-Solarzellen 11 in Reihen über eine gesamte Breite B des Solarmoduls 19 hin seitlich nebeneinander angeordnet, wobei im dargestellten Beispiel zwei solche Reihen elektrisch zu einem Substring 21 ‘ verschaltet sind. Dabei sind die erste Bypassdiode 33 und die zweite Bypassdiode 35 jeweils seitlich neben dem Substring 21 ‘ angeordnet sind. Die Bypassdioden 33, 35 können hierbei beispielsweise nahe einem seitlichen Rand des Solarmoduls 19 angeordnet sein, beispielsweise an oder unter einem das Solarmodul 19 umschließenden Rahmen (nicht dargestellt). In the embodiment shown in Fig. 7, several 3TT solar cells 11 are arranged in rows across the entire width B of the solar module 19, side by side, with two such rows being electrically connected to form a substring 21' in the example shown. The first bypass diode 33 and the second bypass diode 35 are each arranged laterally next to the substring 21'. The bypass diodes 33, 35 can be arranged, for example, close to a lateral edge of the solar module 19, for example on or under a frame enclosing the solar module 19 (not shown).
In der Figur stellen die Quadrate die 3TT-Solarzellen 11 dar. Die Linien 39 entlang der Kante der 3TT-Solarzellen 11 symbolisieren eine 3-polige Verschaltung zwischen den Solarzellen. Ein praktischer Lösungsvorschlag für diese 3-polige Verschaltung wurde in [10] erläutert. Vertikal schraffierte Punkte symbolisieren einen Bottomkontakt 15 (R-Kontakt) zur Bottomzelle 5, horizontal schraffierte Punkte symbolisieren einen Topkontakt 13 (T-Kontakt) zur Topzelle 3, diagonal schraffierte Punkte symbolisieren einen Mittenabgriffkontakt 17 (Z-Kontakt) der 3TT- Solarzelle 11. Um das Kontaktschema für die Bypassdioden 33, 35 einfach zu halten, sind nur die Kontakte zur jeweils geometrisch nächstliegenden 3TT-Solarzelle 11 eingezeichnet. Durch die Verschaltung zwischen die den 3TT-Solarzellen 11 (symbolisiert durch die Linie 39) werden die Terminalkontakte zu weiteren 3TT-Solarzellen 11 im String 21 weitergeführt. Diese Anordnung weist zwei parallel liegende Solarzellenreihen auf, die in Serie verschaltet sind. Diese geometrische Anordnung ist geeignet für Solarzellen mit hoher Reverspannungsfestigkeit. In the figure, the squares represent the 3TT solar cells 11. The lines 39 along the edge of the 3TT solar cells 11 symbolize a 3-pole connection between the solar cells. A practical solution for this 3-pole connection was explained in [10]. Vertical hatched dots symbolize a bottom contact 15 (R contact) to the bottom cell 5, horizontally hatched dots symbolize a top contact 13 (T contact) to the top cell 3, diagonally hatched dots symbolize a center tap contact 17 (Z contact) of the 3TT solar cell 11. In order to keep the contact diagram for the bypass diodes 33, 35 simple, only the contacts to the geometrically closest 3TT solar cell 11 are shown. By connecting the 3TT solar cells 11 (symbolized by line 39), the terminal contacts are continued to other 3TT solar cells 11 in the string 21. This arrangement has two parallel rows of solar cells that are connected in series. This geometric arrangement is suitable for solar cells with high reverse voltage resistance.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausgestaltung sind hingegen mehrere 3TT-Solarzellen 11 über eine erste Hälfte B/2 einer Breite B des Solarmoduls 19 hin seitlich nebeneinander angeordnet sind und elektrisch zu einem ersten Substring 21 ‘ verschaltet und mehrere andere 3TT- Solarzellen sind über eine zweite Hälfte der Breite des Solarmoduls 19 hin seitlich nebeneinander angeordnet und elektrisch zu einem zweiten Substring 21“ verschaltet. Der erste Substring 21‘ und der zweite Substring 21“ sind hierbei parallel zueinander verschaltet. Die erste Bypassdiode 33 und die zweite Bypassdiode 35 sind jeweils lateral zwischen dem ersten Substring 21 ‘ und dem zweiten Substring 21“ angeordnet. Eine solche Art der Verschaltung ist besonders geeignet für 3TT-Solarzellen 11 mit niedriger Reverspannungsfestigkeit. 8, however, several 3TT solar cells 11 are arranged laterally next to one another over a first half B/2 of a width B of the solar module 19 and are electrically connected to a first substring 21 'and several other 3TT solar cells are above a second half of the width of the solar module 19 is arranged side by side and electrically connected to a second substring 21". The first substring 21' and the second substring 21" are connected in parallel to each other. The first bypass diode 33 and the second bypass diode 35 are each arranged laterally between the first substring 21 ' and the second substring 21 ". Such a type of connection is particularly suitable for 3TT solar cells 11 with low reverse voltage resistance.
Anders ausgedrückt kann, wie bei Halbzellenmodulen, die Bypassverschaltung für 3TT- Solarzellen 11 mit niedriger Reversspannungsfestigkeit in der Modulmitte durchgeführt werden (Fig. 8). Die 3TT-Solarzellen 11 sind jedoch innerhalb eines Doppelstrings quasi in Reihe geschaltet (symbolisiert durch die umlaufende Linie 39). Von den herausgeführten Kontakten kann eine weitere Verschaltung entweder zum nächsten Substring 21 erfolgen oder zum nächsten Solarmodul 19. Ein Mittenkontakt 17 (Z-Kontakt) wird von einer nicht direkt in der Modulmitte liegenden 3TT-Solarzelle 11 abgegriffen. Dieser Kontakt wird über eine Drahtverbindung hergestellt, die standardmäßig zur weiteren Verschaltung zur übernächsten Topzelle 3 geführt wird. Diese Verbindung kann als Stromabgriff verwendet werden. In other words, as with half-cell modules, the bypass connection for 3TT solar cells 11 with low reverse voltage strength can be carried out in the middle of the module (FIG. 8). However, the 3TT solar cells 11 are virtually connected in series within a double string (symbolized by the surrounding line 39). A further connection can be made from the contacts brought out either to the next substring 21 or to the next solar module 19. A center contact 17 (Z contact) is picked up by a 3TT solar cell 11 that is not located directly in the middle of the module. This contact is made via a wire connection, which is routed as standard to the next but one top cell 3 for further interconnection. This connection can be used as a power tap.
Das Besondere der geometrischen Anordnung von Solarzellen 11 und Bypassdioden 33, 35 in Fig. 7 ist, dass jeweils zwei der neben einem Doppelstring 21 liegenden Bypassdioden 33, 35 in einer gemeinsamen Diodenbox 41 (aus Gründen der besseren Übersicht in Fig. 7 gestrichelt dargestellt) zusammengefasst werden können. So ist es z.B. möglich mit den üblichen drei Diodenboxen 41 ein Solarmodul 19 aufzubauen. Genauso können bei der geometrischen Anordnung von Solarzellen 11 und Bypassdioden 33, 35 in Fig. 8 jeweils zwei Bypassdioden 33, 35 in einer Diodenbox (aus Gründen der besseren Übersicht in Fig. 8 nicht dargestellt) verschaltet werden, so dass es wiederum möglich ist mit den üblichen drei Diodenboxen 41 in der Modulmitte die Diodenverschaltung durchzuführen. The special feature of the geometric arrangement of solar cells 11 and bypass diodes 33, 35 in FIG. 7 is that two of the bypass diodes 33, 35 lying next to a double string 21 are in a common diode box 41 (shown in dashed lines in FIG. 7 for better clarity). can be summarized. For example, it is possible with the usual three Diode boxes 41 to build a solar module 19. Likewise, with the geometric arrangement of solar cells 11 and bypass diodes 33, 35 in Fig. 8, two bypass diodes 33, 35 can be connected in a diode box (not shown in Fig. 8 for better clarity), so that it is again possible to carry out the diode connection using the usual three diode boxes 41 in the middle of the module.
Verschaltet man die vorgeschlagenen Solarmodule 19, kann man optional unter Hinnehmen von String-End- Verlusten die beiden Stromausgangsanschlüsse 29‘, 29“ zu einem gemeinsamen Minus-Kontakt und die beiden Stromeingangsanschlüsse 27‘, 27‘ ‘ zu einem gemeinsamen Plus- Kontakt kurzschließen, um nur eine einadrige Verbindung zwischen den Solarmodulen 19 zu erreichen. Die Solarmodule 19 werden in diesem Fall so miteinander in Serie verdrahtet, dass jeweils der Minus-Kontakt mit einem Plus-Kontakt eines benachbarten Solarmoduls 19 verbunden wird. Möchte man das volle Potential der Verschaltung ausnutzen, müssen ein erster Stromausgangsanschluss 29‘ mit einem ersten Stromeingangsanschluss 27‘ und ein zweiter Stromausgangsanschluss 29“ mit einem zweiten Stromeingangsanschluss 27“eines benachbarten Solarmoduls 19 über eine zweiadrige Verbindung, d.h. beispielsweise mit einem zwei-adrigen Kabel oder mit zwei Kabeln, in Serie geschaltet werden. If you connect the proposed solar modules 19, you can optionally short-circuit the two power output connections 29', 29" to a common negative contact and the two power input connections 27', 27" to a common plus contact while accepting string end losses, in order to achieve only a single-wire connection between the solar modules 19. In this case, the solar modules 19 are wired together in series so that the minus contact is connected to a plus contact of an adjacent solar module 19. If you want to utilize the full potential of the circuit, a first power output connection 29' with a first power input connection 27' and a second power output connection 29" with a second power input connection 27" of an adjacent solar module 19 must be connected via a two-wire connection, i.e. for example with a two-wire cable or with two cables, connected in series.
Es ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. It should be noted that terms such as "comprising", "comprising", etc. do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a plurality. Furthermore, it should be noted that features or steps that have been described with reference to one of the above-described exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other above-described embodiments. Reference symbols in the claims are not to be viewed as a limitation.
BEZUGSZEICHENLIS TE REFERENCE MARK LIST
I Tandemsolarzelle I Tandem solar cell
3 Topzelle 3 top cell
3‘ Topzelle der ersten 3TT-Solarzelle3' top cell of the first 3TT solar cell
3“ Topzelle der letzten 3TT-Solarzelle3" top cell of the last 3TT solar cell
5‘ Bottomzelle der ersten 3TT-Solarzelle5' bottom cell of the first 3TT solar cell
5“ Bottomzelle der letzten 3TT-Solarzelle5" bottom cell of the last 3TT solar cell
5 Bottomzelle 5 bottom cell
7 2TT-Solarzelle 7 2TT solar cell
9 4TT-Solarzelle 9 4TT solar cell
I I 3TT-Solarzelle I I 3TT solar cell
11 ‘ erste 3TT-Solarzelle 11' first 3TT solar cell
11“ letzte 3TT-Solarzelle 11” last 3TT solar cell
13 Topkontakte 13 top contacts
15 Bottomkontakt 15 bottom contact
17 Mittenabgriffkontakt 17 Center tap contact
19 Solarmodul 19 solar module
21 String 21 strings
21‘ Substring 21' Substring
21“ Substring 21" Substring
23 Verdrahtungsenden 23 wiring ends
25 Verbinder 25 connectors
27 Stromeingangsanschluss 27 power input connector
27 ‘ erster Stromeingangsanschluss 27' first power input port
27“ zweiter Stromeingangsanschluss 27” second power input connector
27 “ ‘ weiterer Stromeingangsanschluss27 “‘ another power input connection
29 Stromausgangsanschluss 29 power output connector
29 ‘ erster Stromausgangsanschluss 29 ' first power output connection
29“ zweiter Stromausgangsanschluss 29” second power output connector
29 “ ‘ weiterer Stromausgangsanschluss 29 “‘ additional power output connection
31 gemeinsame Bypassdiode 33 erste Bypassdiode 31 common bypass diode 33 first bypass diode
34 stringübergreifend verschaltete Bypassdiode 34 bypass diodes connected across strings
35 zweite Bypassdiode 35 second bypass diode
36 modulübergreifend zu verschaltende Bypassdiode 37 Solaranlage 36 Bypass diode to be connected across modules 37 Solar system
39 Reihenschaltung symbolisierende Linie 39 series connection symbolizing line
41 Diodenbox 41 diode box
43 Gesamtstring-Enden 43 total string ends
Claims
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