CH704654A1 - Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung. - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist, wobei die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden, wobei eine erste Halbleiterschicht aus CdTe hergestellt wird und wobei die erste Halbleiterschicht aus CdTe Poren, Risse oder feine Löcher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Risse und feinen Löcher mittels kathodischer Elektrodeposition von CdTe gefüllt werden.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbieiterschichten aufweist, wobei die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden, wobei eine erste Halbleiterschicht aus CdTe hergestellt wird und wobei die erste Halbleiterschicht aus CdTe Poren, Risse oder feine Löcher aufweist.
[0002] Eine Photovoltaikvorrichtung besteht aus zumindest zwei unterschiedlichen Halbleiterschichten, die zwischen einer ersten besser leitenden und einer zweiten besser leitenden Kontaktelektrode eingebettet sind. In der schichtweisen Herstellung von Photovoltaikvorrichtungen können die Halbleiterschichten Poren, Risse oder feine Löcher aufweisen, die zu Fehlfunktionen oder Kurzschlüssen führen, wenn die Poren im Verlauf der Abscheidung mit dem Material der zweiten Halbleiterschicht oder mit dem besser leitenden Material der zweiten Kontaktelektrode aufgefüllt werden.
[0003] Aus der WO 2009/120974 A2 ist ein System zur Füllung von feinen Löchern in Photovoltaikvorrichtungen bekannt. Die Photovoltaikvorrichtung wird hergestellt auf einer verhältnismässig steifen Glas- oder Plexiglasschicht als Trägermaterial. Das Sonnenlicht beleuchtet die photoaktiven Schichten durch das lichtdurchlässige Trägermaterial hindurch. Man spricht bei dieser Schichtreihenfolge von einer Superstratkonfiguration. Die Poren oder feinen Löcher werden mit einer wässrigen Lösung eines elektrischen Isolators gefüllt, der anschliessend anodisch zur Abscheidung und elektrochemisch zur Polymerisation gebracht wird.
[0004] In einer Photovoltaikvorrichtung mit einem anderen Aufbau erfolgt die Beleuchtung der photoaktiven Halbleiterschichten nicht durch ein transparentes Substrat hindurch, sondern durch eine oben liegende transparente, leitende Kontaktelektrode hindurch auf die photoaktiven Halbleiterschichten. Dieser Aufbau wird Substratkonfiguration genannt. Eine zweite leitfähige Kontaktelektrode befindet sich zwischen den photoaktiven Halbleiterschichten und dem Substrat. Diese zweite Kontaktelektrode besteht aus Gründen einer höheren Leitfähigkeit meist aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung. In der Anmeldung mit der Anmeldenummer PCT/CH2010/000329 wird eine solche Photovoltaikvorrichtung beschrieben. Diese Photovoltaikvorrichtung kann ohne Glasschicht, d.h. mit einem kleineren Gewicht und mechanisch weniger steif hergestellt werden. Die Photovoltaikvorrichtung wird unempfindlich gegen Glasbruch und kann ohne robuste Haltevorrichtungen auf Untergründen mit begrenzter Tragkraft installiert werden. Die Herstellungskosten der Photovoltaikvorrichtung werden geringer und die Lebensdauer der Photovoltaikvorrichtung wird länger. Die Herstellungskosten werden weiter gesenkt, wenn die erste untenliegende Halbleiterschicht aus CdTe in einem Bedruckungsverfahren hergestellt wird.
[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung anzugeben, wobei die Photovoltaikvorrichtung als Substratkonfiguration ausgebildet ist und wobei die Poren, Risse und feinen Löcher gefüllt werden können, so dass die erste Halbleiterschicht aus CdTe Gewähr für einen möglichst hohen Wirkungsgrad leistet.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist, wobei die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden, wobei eine erste Halbleiterschicht aus CdTe hergestellt wird und wobei die erste Halbleiterschicht aus CdTe Poren, Risse oder feine Löcher aufweist, wobei die Poren, Risse und feinen Löcher mittels kathodischer Elektrodeposition von CdTe gefüllt werden. Die erste unedle metallische Kontaktelektrode der Photovoltaikvorrichtung fungiert in der elektrochemischen Behandlung als Kathode für die Elektrodeposition des Cadmiumtellurids.
[0007] Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0008] Es ist von Vorteil, dass die Füllung der Poren, Risse und feinen Löcher einfach im Herstellungsprozess der Photovoltaikvorrichtung integriert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in den Halbleiterschichten vor der Ausbildung der zweiten Halbleiterschicht gefüllt werden. In der Herstellung der Photovoltaikvorrichtung werden auf einer flexiblen Trägerschicht nacheinander eine erste Kontaktelektrode, eine erste Halbleiterschicht aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht aus CdS und eine zweite Kontaktelektrode in einem quasi-kontinuierlichen Beschichtungsverfahren aufgebracht. Vor der Ausbildung der zweiten Halbleiterschicht aus CdS können die Poren, Risse und feinen Löcher über eine elektrochemische Abscheidung, beispielsweise wie in einem galvanischen Bad gefüllt werden.
[0009] Es ist auch von Vorteil, dass die Abscheidung möglichst gut gesteuert und überwacht werden kann, und dass die Abscheidung keine störenden oder verunreinigenden Elemente im Herstellungsverfahren einbringt. Dies wird dadurch erreicht, dass die kathodische Elektrodeposition von CdTe in einer sauren Lösung in Schwefelsäure durchgeführt wird. Die Abscheidung im sauren Milieu ist sicherer und präziser als die Abscheidung im basischen Milieu.
[0010] Es ist weiter auch von Vorteil, dass die Abscheidung des Füllmaterials auch auf einer Photovoltaikvorrichtung mit einer unedlen metallischen ersten Kontaktelektrode in Substratkonfiguration ohne Gefahr einer Korrosion der Kontaktelektrode durchgeführt werden kann. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Elektrodeposition in einer drei-Elektrodenzelle mit einer Gegen- und einer Referenzelektrode durchgeführt wird, wobei als Arbeitselektrode die metallische Trägerschicht verwendet wird. Die Gegenelektrode kann aus Platin, Graphit oder Wolfram hergestellt sein.
Ausführungsbeispiel
[0011] Eine flexible metallische Trägerschicht, beispielsweise eine dünne Aluminiumoder Stahlfolie, wird zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nacheinander mit einer elektrisch isolierenden Schicht, einer ersten metallischen elektrischen Kontaktierungsschicht und einer ersten Hableiterschicht aus CdTe beschichtet. In der ersten Halbleiterschicht aus gedrucktem CdTe sind nach dem Bedruckungsvorgang Poren, kleine Zwischenräume, Risse oder feine Löcher vorhanden. Diese Poren, Zwischenräume, Risse und Löcher beeinträchtigen die Funktion der Photovoltaikvorrichtung, weil sie zu Kurzschlüssen zwischen den elektrischen Kontakten der photovoltaischen Zelle und somit zu einem geringeren Wirkungsgrad führen können. Des Weiteren bedeutet dies eine Reduzierung der nutzbaren aktiven Fläche der photovoltaischen Zelle, da diese Bereiche nicht zur Ladungsträgererzeugung und Trennung beitragen. Dadurch sinkt der maximal erzeugbare Photostrom, was eine weitere Beeinträchtigung des Wirkungsgrads bedeutet.
[0012] Um den negativen Einfluss der Poren, Zwischenräume, Risse und Löcher zu minimieren wird das Halbfabrikat nach dem Bedruckungsverfahren mit CdTe in ein galvanisches Bad eingebracht. In diesem elektrochemischen Bad, das eine wässrige Lösung von Schwefelsäure, Tellurdioxid und Cadmiumsulfat enthält, wird eine sogenannte drei-Elektrodenzelle mit einer Gegenelektrode, beispielsweise aus Graphit oder Platin, einer Ag/AgCl Referenzelektrode und mit der ersten Kontaktelektrode als Arbeitselektrode eingerichtet. Das elektrochemische Bad weist eine molare Konzentration von etwa 0,001 bis 0,01 Mol TeO2und eine molare Konzentration von etwa 0,1 bis 1 Mol CdSO4 auf. Die Lösung hat einen pH von etwa 1 bis 7, vorzugsweise schwach sauer.
[0013] Mittels einer Potentiostatschaltung wird eine Spannung von etwa -0,1 bis -1,0 Volt angelegt. Die Elektrodeposition wird als konstante Voltammetrie durchgeführt. Hierdurch wird aus der schwefelsauren Lösung CdTe in den Poren, Zwischenräumen, Rissen und Löchern der ersten Halbleiterschicht abgeschieden.
[0014] Die erste unedle metallische Kontaktelektrode der Photovoltaikvorrichtung dient bei der Elektrodeposition als Kathode, die Platinelektrode als Anode und die Referenzelektrode als Sensor für die Steuerung des Abscheidungsprozesses. Die Elektrodeposition kann bei Zimmertemperatur bis 80° C durchgeführt werden. Der Elektrodepositionsprozess dauert etwa 5 bis 120 Minuten.
[0015] Nach dem Elektrodepositionsprozess wird das Halbfabrikat aus dem galvanischen Bad entnommen und mit destilliertem Wasser gereinigt und getrocknet. Zur Prozessüberwachung können mit einem Elektronenmikroskop die Zwischenräume analysiert werden. Mit einem Element-Detektor wird das Verhältnis Cd zu Te in den Zwischenräumen gemessen und mit der Zusammensetzung der ersten Halbleiterschicht verglichen.
[0016] Nachdem die Zwischenräume mit CdTe gefüllt sind, kann die Photovoltaikvorrichtung in weiteren Beschichtungsschritten fertig gestellt werden. Die porenfreie CdTe-Fläche kann vollständig genutzt werden, weil das Füllmaterial dieselbe Zusammensetzung wie die erste Halbleiterschicht aufweist. Das Füllmaterial hat die gleiche Temperaturbeständigkeit wie der Rest der CdTe-Schicht.
[0017] Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung kann insbesondere auch bei einer Substratkonfiguration mit einer metallischen ersten Kontaktelektrode angewendet werden. Weil der Kontakt an der Grenze zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht vollflächig und ohne Fehlstellen ausgebildet wird, zeichnet sich die so hergestellte Photovoltaikvorrichtung aus durch einen höheren Wirkungsgrad als bei Photovoltaikvorrichtungen mit Poren, Zwischenräumen, Rissen und Löchern in den Halbleiterschichten. Die erste Halbleiterschicht kann in einem Bedruckungsverfahren, in einer Beschichtung aus der Gasphase oder einer anderen Beschichtungstechnik hergestellt werden. Insbesondere nach einem Bedruckungsverfahren weist die erste Halbleiterschicht Unebenheiten auf, die mit der Elektrodeposition optimal ausgeglichen werden können.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist, wobei die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden, wobei eine erste Halbleiterschicht aus CdTe hergestellt wird und wobei die erste Halbleiterschicht aus CdTe Poren, Risse oder feine Löcher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Risse und feinen Löcher mittels kathodischer Elektrodeposition von CdTe gefüllt werden.
2. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht aus CdTe in einem Bedruckungsverfahren hergestellt wird.
3. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht aus CdTe und dass die zweite Halbleiterschicht aus CdS hergestellt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in der Halbleiterschicht aus CdTe vor der Ausbildung der zweiten Halbleiterschicht gefüllt werden.
5. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrodeposition von CdTe in einer sauren Lösung in Schwefelsäure durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die saure Lösung Tellurdioxid und Cadmiumsulfat enthält.
7. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrodeposition bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 80° C durchgeführt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrodeposition als konstante Voltammetrie durchgeführt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrodeposition in einer drei-Elektrodenzelle mit einer Gegenelektrode aus Platin oder Graphit, mit einer Referenzelektrode und einer Arbeitselektrode durchgeführt wird, wobei als Arbeitselektrode die erste unedle metallische Kontaktelektrode verwendet wird.
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