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Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle Download PDF

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Abstract

Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie als Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle.
  • In den letzten Jahren haben Dünnschichtsolarmodule auf der Basis von Kupfer-Indium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Schwefel (abgekürzt CIS) erhebliche Bedeutung gewonnen.
  • Die CIS-Schicht wird beispielsweise auf Glas abgeschieden, nachdem dieses im Sputterverfahren zunächst mit Molybdän beschichtet 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 ein diffundierenden Molekülen aus dem Trägermaterial zunächst mit einer Diffusionssperre, z.B. TCO/ITO (transparente, elektrisch leitfähige Metalloxide) beschichtet werden muß.
  • Der Aufbau dieser Schichtfolge auf dem Edelstahlband erfordert wie bei Glas als Trägermaterial eine Vakuumbehandlung, was entsprechend teure Anlagen voraussetzt. Der hohe Investitionsaufwand steht der Zielsetzung, Solarstrom ähnlich preiswert wie Strom aus fossilen Energieträgern zu erzeugen, konträr entgegen.
  • In der Überlegung, daß die Verwendung von Kupfer als Trägermaterial das elektrochemische Abscheiden der CIS-Schicht erlauben würde und Kupfer selbst Bestandteil der CIS-Schicht ist, wurde mit der DE 196 34 580 A1 bekannt, ein Kupferband als Trägermaterial zu verwenden. Zunächst wird auf dem Kupferband Indium elektrochemisch abgeschieden. In einem zweiten Schritt wird das Band aufgeheizt und auf die aufgeheizte 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 ätztechnisch wieder entfernt werden muß. Schließlich kann nicht ausgeschlossen werden, daß im Verlauf der Zeit weiteres Kupfer in die CIS-Schicht eindiffundiert und die für den photovoltaischen 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 Verhüttungsprozeß eine 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" gelten. Es sind zwar sauerstoffreie Qualitäten lieferbar, sie enthalten jedoch noch eine nicht bestimmbare Anzahl anderer, im Sinne der Halbleitertechnologie nicht geringfügiger Beimengungen. Außerdem muß das Kupferband während des Walzprozesses nach jedem Walzgang zwischengeglüht werden. Hierbei entstehen möglicherweise weitere Verunreinigungen der Kupferoberfläche. Dünn gewalztes Kupferband ist also einmal relativ teuer und enthält zum zweiten Verunreinigungen, die sich beim Aufbringen einer CIS-Schicht als störend erweisen.
  • Ein grundsätzlicher Nachteil von Kupfer ist, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der kristallinen CIS-Schicht von dem des Kupferbandes derart verschieden ist, daß es bei der Wärmebehandlung, die 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 aufzubringen. Chrom-Nickel-Stahl ist jedoch einmal relativ teuer und neigt zum anderen dazu, Wasserstoff aufzunehmen der, 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 den CIS-Absorber zu Kurz- schlüssen kommt, welche die Solarzelle unbrauchbar machen.
  • In der EP 0 841 412 A1 wird eine durch elektrolytische Abscheidung hergestellte Kupferfolie beschrieben. Ebenfalls sind derartige Kupferfolien aus der EP 0 649 917 A1 bekannt, wobei hierin beschrieben wird, daß zur Vergrößerung einer Oberfläche der Folie pyramidenartige Erhebungen erzeugt werden. Eine weitere elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie ist aus der EP 0 632 146 A1 bekannt, wobei dem verwendeten elektrolytischen Bad Legierungsbestandteile zugesetzt werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetere Trägermaterial für eine flexible Solarzelle anzugeben, das das galvanische Aufbringen der CIS-Schicht erlaubt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach wird als Trägermaterial durch elektrolytisches Abscheiden hergestellte Kupferfolie verwendet.
  • Überraschend hat sich gezeigt, daß elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie, die bisher beispielsweise für die Leiterplattenfertigung benutzt wurde, eine Reihe von bisher bei anderen Anwendungen nicht genutzten bzw. dort nicht gefragten Vorteilen aufweist, die sich hier als relevant erweisen. Elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie kann für die Leiterplattenfertigung mit bestimmter Rauhigkeit hergestellt werden. Auch gewalztes Kupferband weist eine bestimmte Rauhigkeit auf. Solche Rauhigkeit ist für die Weiterverarbeitung, 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 einem elektrolytischen Bad hergestellt. Es können dem Bad Bestandteile zugesetzt werden, deren Abscheidungen in der Kupferfolie die Zugfestigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit erhöhen und/oder den Ausdehnungskoeffizienten der Kupferfolie vermindern. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kupferfolie anschließend an den ersten Abscheideprozeß durch weitere galvanische Behandlung mit weiteren metallischen Schichten versehen werden.
  • Auch ein gleichzeitiges Abscheiden von Substanzen, die gezielt 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 Kristallisation.
  • 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 Zugfestigkeit der Kupferfolie, die ansonsten bei den folgenden Wärmebehandlungsprozessen verloren gehen würde, und stellt eine Diffusionsbarriere dar.
  • Ein nachfolgender Schichtaufbau durch galvanische Abscheidung kann beispielsweise die Folge Kupferfolie/Nickel oder Kupferfolie/Invar® (Nickeleisen) sein.
  • Die Verwendung von elektrolytisch abgeschiedener Kupferfolie für den Aufbau flexibler CIS-Solarzellen hat verschie dene Vorteile. Neben der angesprochenen Möglichkeit einer gezielten Legierungsbildung ist die Folie auch in großer Reinheit herstellbar, was für die bisherige Anwendung in der Leiterplattenfertigung allerdings keine Rolle spielte und dort nicht genutzt wurde. Der Preis für galvanisch abgeschiedene Kupferfolie liegt nicht höher als der für vergleichbares gewalztes Kupferband.
  • Die Kupferfolie wird im Gegensatz zu Kupferfolie, die für die Leiterplattenindustrie zum Einsatz kommt, mit geringer Oberflächenrauhigkeit hergestellt und kann zur Maximierung der späteren Lichtaufnahme zugleich oberflächenvergrößert sein, indem während des Abscheidens bereits Auswölbungen eingebracht werden, ohne daß dabei herstellungstechnisch ein besonderer Mehraufwand entsteht. Die Dimension dieser Auswölbungen ist makroskopisch. Solche, z.B. halbkugligen Auswölbungen 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 Abgrenzungen der eigentlichen Zellenfläche 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 bekannter Weise ebenfalls galvanisch aufgebracht werden, so daß insgesamt ein galvanischer Prozeß vorliegt und innerhalb eines Bandprozesses der Solarzellenherstellung keine Vakuumanlagen benötigt werden.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
  • 1 schematisch eine Anlage zum Abscheiden einer Kupferfolie aus einem elektrolytischen Bad und
  • 2 die damit abgeschiedene Kupferfolie im Querschnitt.
  • Die Anlage besteht gemäß 1 aus einer Trommel 1, die in einem Becken 2, in dem sich ein Elektrolyt 3 befindet, drehbar gelagert ist. Die Trommel 1 bildet die Kathode, das Becken 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 Kupferfolie 6 mit einer Legierungszusammensetzung gewünschter Art bildet. Durch den Nickelgehalt wird bei der nachfolgenden Wärmebehandlung die ansonsten stark verminderte Zugfestigkeit der Kupferfolie 6 erhöht.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine solchermaßen hergestellte Kupferfolie 6 und eine später aufgebrachte CIS-Schicht 13. Durch die Strukturierung der Trommel 1 weist die Kupferfolie 6 halbkugelförmige Aufwölbungen 12 auf, die bei einem fertigen Solarmodul die Lichtabsorption erhöhen. Auf die möglichst glatt gehaltene konvexe Seite 9 dieser Aufwölbungen 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 Solarmodul kann eine besondere Randgestaltung, z.B. zur Unterteilung des Trägermaterials in einzelne Solarzellen, vorgesehen sein, die sich im Herstellungsprozeß gleich mit einbringen läßt. Zur Auflage einer nächsten Solarzelle dient in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein abgebogener Randstreifen 11, während an der anderen Randseite, die mit einem Randstreifen 11 einer nächsten Solarzelle kontaktiert wird, zur Kontaktverbesserung aufgewölbte Kontaktpunkte 10 vorgesehen sind.
  • Zugleich dient der Randstreifen zur Eingrenzung der eigentlichen, mit der CIS-Schicht 13 beschichteten Zellenfläche. Er kann, die Kontaktpunkte 10 ausgenommen, mit einem Isoliermaterial beschichtet sein.

Claims (10)

  1. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie als Trägermaterial für eine flexible, bandförmige CIS-Solarzelle.
  2. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kupferfolie durch Abscheiden an einer oberflächenstrukturierten Trommel mit Auswölbungen versehen ist.
  3. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Kupferfolie als Endlosband durch Abscheiden aus einem elektrolytischen Bad hergestellt ist und daß dem Bad Legierungsbestandteile zugesetzt sind, die in der Kupferfolie die Zugfestigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit erhöhen und/oder den Ausdehnungskoeffizienten vermindern.
  4. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Bad als Legierungsbestandteil Nickel zugesetzt ist.
  5. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Bad als Legierungsbestandteil Zink zugesetzt ist.
  6. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Bad als Legierungsbestandteil Eisen zugesetzt ist.
  7. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Bad Sustanzen zugesetzt sind, die später in die CIS-Schicht eindiffundieren sollen.
  8. Verwendung durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als zugesetzte Substanz Natrium verwendet ist.
  9. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie durch Abscheiden an einer oberflächenstrukturierten Trommel mit Strukturen versehen ist, die die Solarzelle begrenzen oder unterteilen.
  10. Verwendung von durch elektrolytisches Abscheiden hergestellter Kupferfolie nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie durch Abscheiden an einer oberflächenstrukturierten Trommel mit Kontaktnocken versehen ist.
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