DE10005680A1 - Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Bisherige Trägermaterialien für flexible CS-Solarzellen weisen eine Reihe von Nachteilen auf. DOLLAR A Das vorliegende Trägermaterial ist eine durch elektrolytisches Abscheiden hergestellte Kupferfolie. Die Kupferfolie kann als Endlosband durch Abscheiden aus einem elektrolytischen Bad hergestellt werden, wobei dem Bad Legierungsbestandteile zugesetzt werden, die in der auf der Kupferfolie die Zugfestigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit erhöhen und/oder Ausdehnungskoeffizienten vermindern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle und ein Verfahren zu dessen Her­ stellung.
In den letzten Jahren haben Dünnschichtsolarmodule auf der Basis von Kupfer-Indium-Diselenid oder Kupfer-Indium- Schwefel (abgekürzt CIS) erhebliche Bedeutung gewonnen.
Üblicherweise wird die CIS-Schicht auf Glas abgeschieden, nachdem dieses im Sputterverfahren zunächst mit Molybdän be­ schichtet wurde. Es sind wegen der Nachteile von Glas als Trägermaterial jedoch verschiedene Anstrengungen unternommen worden, um flexible Trägermaterialien einsetzen zu können. So ist bei Siliziumdünnschichtzellen die Verwendung von Edelstahlband (Chrom-Nickel-Stahl) bekannt, das wegen der Empfindlichkeit der Halbleiter-Schicht gegenüber eindiffun­ dierenden Molekülen aus dem Trägermaterial zunächst mit ei­ ner Diffusionssperre, z. B. TCO/ITO (transparente, elek­ trisch leitfähige Metalloxide) beschichtet werden muß.
Der Aufbau dieser Schichtfolge auf dem Edelstahlband erfor­ dert wie bei Glas als Trägermaterial eine Vakuumbehandlung, was entsprechend teure Anlagen voraussetzt. Der hohe Inve­ stitionsaufwand steht der Zielsetzung, Solarstrom ähnlich preiswert wie Strom aus fossilen Energieträgern zu erzeugen, konträr entgegen.
In der Überlegung, daß die Verwendung von Kupfer als Träger­ material das elektrochemische Abscheiden der CIS-Schicht er­ lauben würde und Kupfer selbst Bestandteil der CIS-Schicht ist, wurde mit der DE-A 196 34 580 vorgeschlagen, ein Kup­ ferband als Trägermaterial zu verwenden. Zunächst wird auf dem Kupferband Indium elektrochemisch abgeschieden. In einem zweiten Schritt wird das Band aufgeheizt und auf die aufge­ heizte Indium-Schicht in der Dampfphase vorliegendes Selen oder Schwefel aufgebracht, wobei Kupfer in die Indiumschicht eindiffundieren und dort zusammen mit dem Selen/Schwefel die CIS-Schicht bilden soll. Das Verfahren erfordert eine genaue Einhaltung des Temperaturbereiches und der Prozeßzeiten bei der Selenisierung bzw. Sulfudisierung. Außerdem bildet sich an der Oberfläche Kupferselenid bzw. Kupfersulfid, das die Reinheit der CIS-Schicht stören würde und deshalb ätztech­ nisch wieder entfernt werden muß. Schließlich kann nicht ausgeschlossen werden, daß im Verlauf der Zeit weiteres Kup­ fer in die CIS-Schicht eindiffundiert und die für den photo­ voltaischen Effekt nötige Zusammensetzung ändert und somit die Funktion der Solarzelle zunehmend vermindert.
Darüber hinaus ist die Verwendung von gewalztem Kupferband insofern problematisch, als daß dieses durch den Verhüt­ tungsprozeß ein Reihe von Verunreinigungen aufnimmt. Zwar wird es einer elektrolytischen Raffination unterzogen, die erzielbaren Reinheiten von 99,99% müssen jedoch im Sinn der solaren Halbleitertechnologie als "stark verunreinigt" gel­ ten. Es sind zwar sauerstoffreie Qualitäten lieferbar, sie enthalten jedoch noch eine nicht bestimmbare Anzahl anderer, im Sinne der Halbleitertechnologie nicht geringfügiger Bei­ mengungen. Außerdem muß das Kupferband während des Walzpro­ zesses nach jedem Walzgang zwischengeglüht werden. Hierbei entstehen möglicherweise weitere Verunreinigungen der Kup­ feroberfläche. Dünn gewalztes Kupferband ist also einmal re­ lativ teuer und enthält zum zweiten Verunreinigungen, die sich beim Aufbringen einer CIS-Schicht als störend erweisen.
Ein grundsätzlicher Nachteil von Kupfer ist, daß der thermi­ sche Ausdehnungskoeffizient der kristallinen CIS-Schicht von dem des Kupferbandes derart verschieden ist, daß es bei der Wärmebehandlung, der nach dem Aufbringen der CIS-Schicht erforderlich ist, leicht zur Rißbildung in der CIS-Schicht kommt, womit jede photovoltaische Funktion zunichte gemacht wird.
Deshalb wurde auch bereits vorgeschlagen, die CIS-Schicht elektrochemisch auf ein Band aus Chrom-Nickel-Stahl aufzu­ bringen. Chrom-NickelStahl ist jedoch einmal relativ teuer und neigt zum anderen dazu, Wasserstoff aufzunehmen, das auf der Oberfläche Bläschen bildet, die bei der Abscheidung der CIS-Schicht zu sogenannten "pin holes" in der CIS-Schicht führen, wodurch es bei der Aufbringung der leitend­ transparenten Deckschicht auf dem CIS-Absorber zu Kurz­ schlüssen kommt, welche die Solarzelle unbrauchbar machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeigneteres Trägermaterial für eine flexible Solarzelle und ein Verfah­ ren zu seiner Herstellung anzugeben, das das galvanische Aufbringen der CIS-Schicht erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach wird als Trägermaterial durch elektrolytisches Ab­ scheiden hergestellte Kupferfolie verwendet.
Überraschend hat sich gezeigt, daß elektrolytisch abgeschie­ dene Kupferfolie, die bisher traditionell ausschließlich für die Leiterplattenfertigung benutzt wurde, eine Reihe von bisher bei anderen Anwendungen nicht genutzten bzw. dort nicht gefragten Vorteilen aufweist, die sich hier als rele­ vant erweisen. Elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie kann für die Leiterplattenfertigung mit bestimmter Rauhigkeit hergestellt werden. Auch gewalztes Kupferband weist eine be­ stimmte Rauhigkeit auf. Solche Rauhigkeit ist für die Wei­ terverarbeitung, nämlich für eine Verklebung, von Vorteil. Elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie ist aber auch mit sehr geringer Rauhigkeit herstellbar, was für Solarzellen von großem Vorteil ist.
Die Kupferfolie wird als Endlosband durch Abscheiden aus ei­ nem elektrolytischen Bad hergestellt. Es können dem Bad Bestandteile zugesetzt werden, deren Abscheidungen in der Kup­ ferfolie die Zugfestigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit erhöhen und/oder den Ausdehnungkoeffizienten der Kupferfolie vermindern. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kupfer­ folie anschließend an den ersten Abscheideprozeß durch wei­ tere galvanische Behandlung mit weiteren metallischen Schichten versehen werden.
Auch ein gleichzeitiges Abscheiden von Substanzen, die ge­ zielt in kleinen Mengen in die CIS-Schicht eindiffundieren sollen ist möglich. Beispielsweise wandert Natrium später bei einer Wärmebehandlung, die zur Aktivierung der CIS- Schicht nötig ist, in gezielter Menge in die CIS-Schicht ein und begünstigt dort in der Art eines Flußmittels die Kri­ stallisation.
Geeignete Badzusätze zur gleichzeitigen Abscheidung sind z. B solche, die ein Abscheiden von Nickel, Zink, Zinn u. ä. bewirken. Insbesondere Nickel bewirkt die Erhöhung der Zufe­ stigkeit der Kupferfolie, die ansonsten bei den folgenden Wärmebehandlungsprozessen verloren gehen würde, und stellt eine Diffusionsbarriere dar.
Ein nachfolgender Schichtaufbau durch galvanische Abschei­ dung kann beispielsweise die Folge Kupferfolie/Nickel oder Kupferfolie/Invar (Nickeleisen) sein.
Die Verwendung von elektrolytisch abgeschiedener Kupferfolie für den Aufbau flexibler CIS-Solarzellen hat verschiedenen Vorteile. Neben der angesprochenen Möglichkeit einer geziel­ ten Legierungsbildung ist die Folie auch in großer Reinheit herstellbar, was für die bisherige Anwendung in der Leiter­ plattenfertigung allerdings kein Rolle spielte und dort nicht genutzt wurde. Der Preis für galvanisch abgeschiedene Kupferfolie liegt nicht höher als der für vergleichbares ge­ walztes Kupferband.
Die Kupferfolie wird im Gegensatz zu Kupferfolie, die für die Leiterplattenindustrie zum Einsatz kommt, mit geringer Oberflächenrauhigkeit hergestellt, kann zur Maximierung der späteren Lichtaufnahme zugleich oberflächenvergrößert sein, indem während des Abscheidens bereits Auswölbungen eingebracht werden, ohne daß dabei herstellungstechnisch ein be­ sonderer Mehraufwand entsteht. Die Dimension dieser Auswöl­ bungen ist makroskopisch. Solche, z. B. halbkugligen Auswöl­ bungen in der Größenordnung von ca. 2 mm lassen sich durch entsprechende Gestaltung der Abscheidetrommel realisieren. Hierdurch wird bei schräg auf die Solarzelle auftreffender Strahlung die Lichtabsorption und damit der Zellen- Wirkungsgrad erhöht. Zudem vermindern die Aufwölbungen eine Längenausdehnung des Kupfers unter Temperatureinfluß und stellen somit eine wünschenswerte Anpassung an das Verhalten der CIS-Schicht (vermeiden von Rißbildung) dar.
Schließlich können bei der galvanischen Abscheidung auch noch andere Forderungen bezüglich der Form ohne wesentlichen Mehraufwand realisiert werden, wie beispielsweise Abgrenzun­ gen der eigentlichen Zellenflächen auf der Kupferfolie oder Nocken, die ähnlich den Kontaktflächen eines Relais bei der späteren Verschaltung der Solarzellen zu Solarzellenmodulen für die kontaktierende Stromführung vorteilhaft sind.
Auf das Trägermaterial kann die CIS-Schicht dann in bekann­ ter Weise ebenfalls galvanisch aufgebracht werden, so daß insgesamt ein galvanischer Prozeß vorliegt und innerhalb ei­ nes Bandprozesses der Solarzellenherstellung keine Vakuuman­ lagen benötigt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun­ gen zeigen
Fig. 1 schematisch eine Anlage zum Abscheiden einer Kup­ ferfolie aus einem elektrolytischen Bad und
Fig. 2 die damit abgeschiedene Kupferfolie im Quer­ schnitt.
Die Anlage besteht gemäß Fig. 1 aus einer Trommel 1, die in einem Becken 2, in dem sich ein Elektrolyt 3 befindet, dreh­ bar gelagert ist. Die Trommel 1 bildet die Kathode, das Bec­ ken 2 die Anode. Das Becken 2 ist mit einem Zulauf 4 für den Elektrolyten 3 versehen, während ein Ablauf 5 an dem das Becken 2 umschließenden Behälter 8 vorgesehen ist. Durch Drehen der Trommel 1 bei angelegter Spannung wird Kupfer auf der Trommel 1 abgeschieden, das als Kupferfolie 6 mit ca. 35 mm Breite und in einer Dicke von ca. 0,2 mm von der Trommel 1 abgehoben und auf eine Haspel 7 aufgewickelt werden kann.
Dem Elektrolyten kann ein geeignetes Nickelsalz in einer solchen Konzentration beigemischt werden, daß sich die Kup­ ferfolie 6 mit einer Legierungszusammensetzung gewünschter Art bildet. Durch den Nickelgehalt wird bei der nachfolgen­ den Wärmebehandlung die ansonsten stark verminderte Zugfe­ stigkeit der Kupferfolie 6 erhöht.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine solchermaßen her­ gestellte Kupferfolie 6 und eine später aufgebrachte CIS- Schicht 13. Durch die Strukturierung der Trommel 1 weist die Kupferfolie 6 halbkugelförmigen Aufwölbungen 12 auf, die bei einem fertigen Solarmodul die Lichtabsorption erhöhen. Auf die möglichst glatt gehaltenen konvexe Seite 9 dieser Auf­ wölbungen wird später die photovoltaisch wirksame CIS- Schicht 13 aufgebracht. Die andere, konkave Seite 14 kann degegen eine gewisse Rauhigkeit aufweisen. Die konvexe Seite 9 weist aufgrund der polierten Oberfläche der Trommel 1 nur eine geringe Rauhigkeit auf.
Zur Verschaltung von mehreren Solarzellen zu einem Solarmo­ dul ist kann eine besondere Randgestaltung, z. B. zur Unter­ teilung des Trägermaterials in einzelne Solarzellen, vorge­ sehen sein, die sich im Herstellungsprozeß gleich mit ein­ bringen läßt. Zur Auflage einer nächsten Solarzelle dient in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein abgebogener Rand­ streifen 11, während an der anderen Randseite, die mit einem Randstreifen 11 einer nächsten Solarzelle kontaktiert wird, zur Kontaktverbesserung aufgewölbte Kontaktpunkte 10 vorge­ sehen sind.
Zugleich dient der Randstreifen zur Eingrenzung der eigent­ lichen, mit der CIS-Schicht 13 beschichteten -Zellenfläche. Er kann, die Kontaktpunkte 10 ausgenommen, mit einem Iso­ liermaterial beschichtet sein.
Bezugszeichenliste
1
Trommel
2
Becken
3
Elektrolyt
4
Zulauf (für Elektrolyt)
5
Ablauf (für Elektrolyt)
6
Kupferfolie
7
Haspel
8
Behälter
9
Konvexe Seite (der Kupferfolie)
10
Kontaktpunkte
11
Randstreifen
12
Aufwölbungen
13
CIS-Schicht
14
Konkave Seite (der Kupferfolie)

Claims (11)

1. Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS- Solarzelle gekennzeichnet durch die Verwendung einer durch elektrolytisches Abscheiden hergestellten Kupferfolie.
2. Trägermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der Kupferfolie (6) durch Auswölbungen (12) vergrößert ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Trägermaterials für eine flexible CIS-Solarzelle, gekennzeichnet dadurch, daß eine Kupferfolie als Endlosband durch Abscheiden aus ei­ nem elektrolytischen Bad hergestellt wird und daß dem Bad Legierungsbestandteile zugesetzt werden, die in der Kupferfolie die Zugfestigkeit und/oder Temperaturbestän­ digkeit erhöhen und/oder den Ausdehnungkoeffizienten vermindern.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Legierungsbestandteil Nickel verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Legierungsbestandteil Zink verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Legierungsbestandteil Eisen verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Bad Substanzen zugesetzt werden, die später in die CIS-Schicht eindiffundieren sollen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als zugesetzte Substanz Natrium verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Kupferfolie beim Abscheiden an einer oberflächen­ strukturierten Trommel mit Auswölbungen versehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie beim Abscheiden an einer oberflächen­ strukturierten Trommel mit Strukturen versehen wird, die die Solarzelle begrenzen oder unterteilen.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie beim Abscheiden an einer oberflächen­ strukturierten Trommel mit Kontaktnocken versehen wird.
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