DE10113782A1 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Takayuki Negami
Shigeo Hayashi
Yasuhiro Hashimoto
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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Solarzelle mit guten Kenngrößen und einer hohen Zuverlässigkeit bereitgestellt, wobei die Solarzelle jeweils mindestens ein Element der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist. Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen der Solarzelle bereitgestellt. Die Solarzelle weist eine leitfähige Basis, eine auf einer Hauptebene der Basis ausgebildete erste Isolierschicht, eine auf einer zweiten Hauptebene der Basis ausgebildete zweite Isolierschicht und eine über der ersten Isolierschicht ausgebildete Lichtabsorptionsschicht auf. Die Lichtabsorptionsschicht wird durch einen Halbleiter gebildet, der jeweils mindestens ein Element der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine So­ larzelle mit einer leitfähigen Basis und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Dünnschicht-Solarzellen mit Metallsubstraten können aufgrund ihrer Eigenschaften der Verwendung leichter und flexibler Substrate für verschiedene Zwecke verwendet wer­ den. Außerdem können Metallsubstrate Hochtemperaturverarbei­ tungen widerstehen. Daher können Verbesserungen im Konver­ sionswirkungsgrad der Solarzellen erwartet werden.
Wenn ein leitfähiges Substrat verwendet wird, besteht ein Problem darin, daß es schwierig ist, mehrere Zellenein­ heiten auf dem Substrat in Serie zu schalten, um eine inte­ grierte Struktur zu erhalten. Außerdem diffundiert, wenn ei­ ne Metallplatte als Substrat verwendet wird, ein in der Me­ tallplatte enthaltenes Elementarbestandteil in eine Lichtab­ sorptionsschicht, so daß die Kenngrößen schlechter werden, was ebenfalls ein Problem darstellt. Um diese Probleme zu lösen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem eine Isolierschicht auf einem Metallsubstrat ausgebildet wird und eine Elektrodenschicht und eine amorphe Si-Schicht als eine Lichtabsorptionsschicht darauf ausgebildet werden (vergl. z. B. JP-A-05-129641 (1993) und JP-A-11-261090 (1990)).
Andererseits weisen Solarzellen, in denen Halbleiter mit einer Chalkopyritstruktur, die durch Cu(In, Ga)Se2 (nachstehend als "CIGS" bezeichnet) dargestellt wird, für die Lichtabsorptionsschicht verwendet werden, einen hohen Konversionswirkungsgrad auf, so daß ihnen große Aufmerksam­ keit geschenkt wird. Im allgemeinen werden in Solarzellen, in denen CIGS verwendet wird, Glassubstrate als Basismate­ rialien verwendet. Außerdem wurden Solarzellen vorgeschla­ gen, in denen an Stelle der Glassubstrate Polyimidplatten oder Platten aus rostfreiem Stahl verwendet werden, um leichtgewichtige oder flexible Solarzellen herzustellen. In Solarzellen, in denen Halbleiter (mit einer Chalko­ pyritstruktur) verwendet werden, die mindestens jeweils ein Element aus den Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweisen, wurden weitere Verbesserungen in der Zuverlässigkeit und der Eigen­ schaften oder Kenngrößen gefordert.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzelle mit guten Kenngrößen und einer hohen Zuver­ lässigkeit unter Verwendung eines Halbleiters bereitzustel­ len, der jeweils mindestens ein Element aus der Gruppe Ib, IIb bzw. VIb aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen der Solarzelle. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Durch die Solarzelle nach Patentanspruch 1 kann verhin­ dert werden, daß die Basis durch eine Reaktion mit dem Ele­ ment der Gruppe VIb (insbesondere Se oder S) versprödet, wenn die Lichtabsorptionsschicht hergestellt wird. Dadurch kann eine Solarzelle mit guten Kenngrößen und einer hohen Zuverlässigkeit erhalten werden. Außerdem kann vermieden werden, daß die Produktivität dadurch abnimmt, daß durch die Reaktion zwischen dem Element der Gruppe VIb und dem Basis­ material eine Chalcogenidverbindung erzeugt wird. Außerdem kann in der Solarzelle durch die Isolierschicht verhindert werden, daß ein im Basismaterial enthaltenes Element in die Lichtabsorptionsschicht diffundiert. Dieser Effekt ist ins­ besondere wichtig, wenn die Basis aus Metall hergestellt ist.
In dieser Beschreibung bezeichnen "Gruppen Ib, IIIb, VIb und Ia" die "Gruppen 1B, 3B, 6B und 1A" der Tabelle des periodischen Systems der Elemente gemäß der alten IUPAC- Empfehlung vor 1985. Daher bezeichnen ein "Element der Grup­ pe Ib", ein "Element der Gruppe IIIb", ein "Element der Gruppe VIb" und ein "Element der Gruppe Ia" eines einer Se­ rie von Elementen, die Cu enthält, eines einer Serie von Elementen, die Al, Ga und In enthält, eines einer Serie von Elementen, die S, Se und Te enthält, bzw. eines einer Serie von Elementen, die Li, Na und K enthält.
Gemäß Patentanspruch 2 kann eine integrierte Solarzelle mit einer großen Fläche und guten Kenngrößen erhalten wer­ den.
Wenn in der Konfiguration von Patentanspruch 3 eine dünne Basis verwendet wird, kann eine flexible Solarzelle erhalten werden. Außerdem wird durch die Verwendung der Me­ tallbasis eine Verarbeitung bei einer hohen Temperatur er­ möglicht, so daß eine Lichtabsorptionsschicht eines Halblei­ ters mit besonders hoher Kristallinität hergestellt werden kann.
Gemäß Patentanspruch 4 kann eine leichtgewichtige So­ larzelle erhalten werden.
Gemäß Patentanspruch 5 kann eine Solarzelle mit ausge­ zeichneten Kenngrößen erhalten werden.
Gemäß der Konfiguration von Patentanspruch 7 kann die Substratoberfläche eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweisen, wenn die Lichtabsorptionsschicht hergestellt wird. Außerdem kann verhindert werden, daß die Basis und die leitfähige Schicht sich ablösen.
Gemäß der Konfiguration von Patentanspruch 9 kann ver­ hindert werden, daß die Basis und die leitfähige Schicht sich ablösen. Außerdem kann die Isolierschicht auf einfache Weise ausgebildet werden.
Gemäß der Konfiguration von Patentanspruch 10 können gleichmäßige Isolierschichten auf einfache Weise hergestellt werden.
Gemäß der Solarzelle nach Patentanspruch 11 kann eine Solarzelle mit guten Kenngrößen und mit einer hohen Zuver­ lässigkeit erhalten werden. Dies ergibt sich möglicherweise dadurch, daß die Kristallinität der Lichtabsorptionsschicht durch das in der Schicht zwischen der Basis und der Lichtab­ sorptionsschicht angeordnete Element der Gruppe Ia verbes­ sert ist. Außerdem kann in der Solarzelle nach Patentan­ spruch 11 verhindert werden, daß ein in der Basis enthalte­ nes Element in die Lichtabsorptionsschicht diffundiert. Die­ ser Effekt ist insbesondere dann wichtig, wenn die Basis aus Metall hergestellt ist.
Gemäß dem Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 21 kann eine Lichtabsorptionsschicht mit ausgezeichneter Kri­ stallinität hergestellt werden. Dadurch kann eine Solarzelle mit guten Kenngrößen und mit einer hohen Zuverlässigkeit be­ reitgestellt werden.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht zum Darstellen ei­ ner erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht eines anderen Bei­ spiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht eines noch anderen Beispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle;
Fig. 5A bis 5E zeigen Schritte in einem Beispiel ei­ nes Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Solar­ zelle;
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen des in Fig. 5A dargestellten Schritts; und
Fig. 7A bis 7E zeigen Schritte in einem anderen Bei­ spiel eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemä­ ßen Solarzelle.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
In der Ausführungsform 1 wird ein Beispiel einer erfin­ dungsgemäßen Solarzelle nach Patentanspruch 1 beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht einer Solarzelle 10 ge­ mäß Ausführungsform 1.
Gemäß Fig. 1 weist die Solarzelle 10 auf: eine leitfä­ hige Basis 11, eine auf einer Hauptebene 11a der Basis 11 ausgebildete erste Isolierschicht 12a und eine auf einer zweiten Hauptebene 11b der Basis 11 ausgebildete zweite Iso­ lierschicht. Die Basis 11 und die erste und die zweite Iso­ lierschicht 12a und 12b bilden ein Substrat. Die Solarzelle 10 weist ferner auf: eine leitfähige Schicht 13, eine Lich­ tabsorptionsschicht 14, eine erste Halbleiterschicht 15, ei­ ne zweite Halbleiterschicht 16 und eine transparente leitfä­ hige Schicht 17, die auf der ersten Isolierschicht 12a nach­ einander ausgebildet sind. Die Solarzelle weist außerdem ei­ ne auf der leitfähigen Schicht 13 ausgebildete Anschlußelek­ trode 18 und eine auf der transparenten leitfähigen Schicht 17 ausgebildete Anschlußelektrode 19 auf. Die erste und die zweite Halbleiterschicht 15 und 16 sind Fensterschichten.
Die Basis 11 kann aus einem leitfähigen Material herge­ stellt werden. Insbesondere kann die Basis 11 aus Metall hergestellt werden, z. B. aus rostfreiem Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung, wie beispielsweise Duralumin. Vorzugs­ weise ist die Basis 11 flexibel. Wenn die Basis 11 flexibel ist, wird die Basis 11 in einer Rollenform bereitgestellt, so daß eine Solarzelle kontinuierlich hergestellt werden kann. Dadurch wird die Solarzellenfertigung erleichtert.
Die erste Isolierschicht 12a wird zum Isolieren der Ba­ sis 11 und der leitfähigen Schicht 13 voneinander verwendet. Die erste und die zweite leitfähige Schicht 12a und 12b ha­ ben einen Widerstand von beispielsweise mindestens 1 MΩ. Die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b können aus einem Oxid und/oder einem Fluorid hergestellt sein. Insbe­ sondere können sie aus einem Material hergestellt sein, das im wesentlichen aus Siliciumoxid (SiO2) oder Eisenfluorid besteht. Die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b können aus einem Material hergestellt sein, das ein Element der Gruppe Ia enthält, und können beispielsweise aus einem Oxid von Na hergestellt sein, wie beispielsweise aus Kalkna­ tronglas, NaF oder Na2S. Vorzugsweise haben die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b eine mittlere Dicke von 0,01 µm bis 0,5 µm.
Die leitfähige Schicht 13 ist eine Elektrode. Die leit­ fähige Schicht 13 kann aus einem Metall, z. B. aus Mo, herge­ stellt werden.
Die Lichtabsorptionsschicht 14 ist über der ersten Iso­ lierschicht 12a angeordnet. Die Lichtabsorptionsschicht 14 ist auf einem Halbleiter ausgebildet, der jeweils mindestens ein Element der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist. Insbe­ sondere kann ein Halbleiter mit der gleichen Kristallstruk­ tur wie diejenige von Chalkopyrit verwendet werden. D. h., es kann ein Halbleiter verwendet werden, der Cu, mindestens ein Element der aus In und Ga gebildeten Gruppe und mindestens ein Element der aus Se und S gebildeten Gruppe aufweist. Beispielsweise können CuInSe2, CuIn(Se,S)2, oder Cu(In,Ga)(Se,S)2 verwendet werden.
Die erste Halbleiterschicht 15 kann aus CdS oder einer Zn-haltigen Verbindung hergestellt werden. Beispiele einer Zn-haltigen Verbindung sind Zn(O,S), ZnMgO und ähnliche. Die zweite Halbleiterschicht 16 kann aus ZnO oder einem ZnO- haltigen Material gebildet werden. Die transparente leitfä­ higen Schicht 17 kann aus ZnO gebildet werden, das mit einem Element der Gruppe III dotiert ist, z. B. mit Al oder ITO (Indiumzinnoxid). Die Anschlußelektroden 18 und 19 können aus einem Metall mit einer hohen Leitfähigkeit hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Solarzelle der Ausführungsform 1 kann ferner eine Schicht (Schicht A) aufweisen, die ein Ele­ ment der Gruppe Ia aufweist und zwischen der leitfähigen Schicht 13 und der Lichtabsorptionsschicht 14 angeordnet ist. Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht einer Solarzelle 20 mit einer Schicht 21 (Schicht A), die ein Element der Gruppe Ia enthält. Die Solarzelle 20 ist mit der Solarzelle 10 identisch, außer daß sie die zwischen der leitfähigen Schicht 13 und der Lichtabsorptionsschicht 14 angeordnete Schicht 21 aufweist.
Beispiele des in der Schicht 21 enthaltenen Elements der Gruppe Ia sind Na, K und Li. Die Schicht 21 kann bei­ spielsweise aus einer Na-haltigen Verbindung hergestellt sein. Beispielsweise können Na2S oder NaF als die Na-haltige Verbindung verwendet werden. Die mittlere Dicke der Schicht 21 liegt beispielsweise im Bereich von 0,001 µm bis 0,1 µm.
Die Solarzellen 10 und 20 sind Beispiele der erfin­ dungsgemäßen Solarzelle der Ausführungsform 1. Die erfin­ dungsgemäßen Solarzelle der Ausführungsform 1 ist nicht auf die Solarzellen 10 und 20 beschränkt. Beispielsweise kann die zweite Halbleiterschicht 16 weggelassen werden. Außerdem kann die erfindungsgemäße Solarzelle der Ausführungsform 1 mehrere auf der ersten Isolierschicht 12a in Serie geschal­ tete Zelleneinheiten aufweisen, wie später in Beispiel 3 be­ schrieben wird.
Ausführungsform 2
In der Ausführungsform 2 wird ein Beispiel einer erfin­ dungsgemäßen Solarzelle nach Patentanspruch 11 beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht einer Solarzelle 30 der Ausführungsform 2. Mit Teilen der Ausführungsform 1 identi­ sche Teile sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht wiederholt beschrieben.
Gemäß Fig. 3 weist die Solarzelle 30 eine Basis 11 und eine auf der Basis 11 ausgebildete Isolierschicht 32 auf. Die Basis 11 und die Isolierschicht 32 bilden ein Substrat. Die Solarzelle 30 weist ferner auf: eine leitfähige Schicht 13, eine Lichtabsorptionsschicht 14, eine erste Halbleiter­ schicht 15 eine zweite Halbleiterschicht 16 und eine trans­ parente leitfähige Schicht 17, die auf der ersten Isolier­ schicht 32a nacheinander ausgebildet sind, eine auf der leitfähigen Schicht 13 ausgebildete Anschlußelektrode 18 und eine auf der transparenten leitfähigen Schicht 17 ausgebil­ dete Anschlußelektrode 19. Die Lichtabsorptionsschicht 14 ist über der Isolierschicht 32 angeordnet.
Die Isolierschicht 32 wird zum Isolieren der Basis und der leitfähigen Schicht voneinander verwendet. Die Isolier­ schicht 32 weist einen Widerstand von beispielsweise minde­ stens 1 MΩ auf. Die Isolierschicht 32 kann aus einem Iso­ liermaterial hergestellt sein, das ein Element der Gruppe Ia enthält, z. B. ein Oxid oder ein Fluorid eines Elements der Gruppe Ia. Insbesondere kann die Isolierschicht 32 aus einem Na-haltigen Oxid hergestellt sein, z. B. aus Kalknatronglas. Außerdem kann die Isolierschicht 32 unter Verwendung von NaF hergestellt werden.
In der Solarzelle 30 enthält mindestens eine zwischen der Basis 11 und der Lichtabsorptionsschicht 14 angeordnete Schicht ein Element der Gruppe Ia (vorzugsweise Na). Bei­ spielsweise kann die Isolierschicht 32 ein. Element der Grup­ pe Ia enthalten, oder sie kann aus einem Na-haltigen Oxid hergestellt sein. Insbesondere kann die Isolierschicht 32 aus Kalknatronglas hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Solarzelle der Ausführungsform 1 kann ferner eine Schicht aufweisen, die ein Element der Gruppe Ia aufweist (Schicht B) und zwischen der leitfähigen Schicht 13 und der Lichtabsorptionsschicht 14 angeordnet ist. Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht einer Solarzelle 40 mit einer Schicht 41 (Schicht B), die ein Element der Gruppe Ia enthält. Die Solarzelle 40 unterscheidet sich von der Solarzelle 30 lediglich dadurch, daß sie die Schicht 41 aufweist. Die Schicht 41 enthält ein Element der Gruppe Ia und wird beispielsweise aus Na2S oder NaF hergestellt. In der Solarzelle 40 ist die Schicht 41 zwischen der leitfähi­ gen Schicht 13 und der Lichtabsorptionsschicht 14 angeord­ net. Die Schicht 41 kann zwischen der leitfähigen Schicht 13 und der Isolierschicht 32 angeordnet sein.
Die Solarzellen 30 und 40 sind Beispiele der erfin­ dungsgemäßen Solarzelle der Ausführungsform 2. Die erfin­ dungsgemäße Solarzelle der Ausführungsform 2 ist nicht auf die Solarzellen 30 und 40 beschränkt. Beispielsweise kann die zweite Halbleiterschicht 16 weggelassen werden. Außerdem kann die erfindungsgemäße Solarzelle der Ausführungsform 2 mehrere auf der Isolierschicht 32 in Serie geschaltete Zel­ leneinheiten aufweisen, wie später in Beispiel 6 beschrieben wird. Darüber hinaus kann die Isolierschicht 32, wie bei den Solarzellen der Ausführungsform 1, auf beiden Seiten der Ba­ sis 11 ausgebildet sein.
Ausführungsform 3
In der Ausführungsform 3 wird ein Verfahren zum Her­ stellen einer erfindungsgemäßen Solarzelle beschrieben. Durch das Herstellungsverfahrens der Ausführungsform 3 kön­ nen Solarzellen der Ausführungsform 2 hergestellt werden. In der Ausführungsform 3 sind mit den in den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebenen Teilen identische Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht wieder­ holt beschrieben.
Zu Beginn wird ein mehrschichtiger Film mit einer leit­ fähigen Schicht und einer Schicht, die ein Element der Grup­ pe Ia aufweist, auf einer leitfähigen Basis 11 ausgebildet (Schritt (i)). Der mehrschichtige Film kann beispielsweise aus der Isolierschicht 32 und der leitfähigen Schicht 13 ge­ bildet werden, die in Fig. 3 dargestellt sind. Der mehr­ schichtige Film kann auch aus der Isolierschicht 32, der leitfähigen Schicht 13 und der Schicht 41 hergestellt wer­ den, die in Fig. 4 dargestellt sind. Diese Schichten können durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellt werden.
Daraufhin wird ein Lichtabsorptionsschicht 14 auf dem mehrschichtigen Film ausgebildet (Schritt (ii)). Die Lich­ tabsorptionsschicht wird aus einem Halbleiter gebildet, der jeweils mindestens ein Element aus den Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist. Diese Lichtabsorptionsschicht kann durch Auf­ dampfen hergestellt werden, wie später in den Beispielen be­ schrieben wird.
Dann werden eine erste Halbleiterschicht 15, eine zwei­ te Halbleiterschicht 16 und eine transparente leitfähige Schicht 17 nacheinander ausgebildet. Diese Schichten können durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellt werden. In einem letzten Schritt werden die Anschlußelektroden 18 und 19 aus­ gebildet. Dadurch kann eine Solarzelle erhalten werden.
Eine integrierte Solarzelle kann durch die in den Bei­ spielen 3 und 6 später beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher beschrieben. In den folgenden Beispielen wird eine Platte aus rostfreiem Stahl als Basis verwendet, es kann jedoch auch eine aus einer Aluminiumverbindung, wie beispielsweise Duralumin, hergestellte Basis verwendet wer­ den.
Beispiel 1
In Beispiel 1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle 10 gemäß Ausführungsform 1 beschrieben.
Zu Beginn wurde eine Platte aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 100 µm als Basis 11 vorbereitet. Dann wurden SiO2-Schichten (die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b) auf beiden Seiten der Platte aus rostfreiem Stahl durch ein Tauchbeschichtungsverfahren ausgebildet. Dann wur­ de eine Mo-Schicht (die leitfähige Schicht 13) durch HF- Sputtern auf einer SiO2-Schicht aufgebracht. Die Dicken der SiO2-Schichten und der Mo-Schicht betrugen 0,5 µm bzw. 0,4 µm.
Daraufhin wurde durch das folgende Verfahren eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht (die Lichtabsorptionsschicht 14) ausge­ bildet.
Zunächst wurden In, Ga und Se auf der Mo-Schicht aufge­ bracht, während ihre Drücke durch ein Ionisationsvakuummano­ meter kontrolliert wurden. In diesem Fall wurde die Sub­ strattemperatur auf 350°C eingestellt. Während des Aufdamp­ fens wurden die Drücke von Se, In und Ga auf 2,66 × 10-3 Pa (2 × 10-5 Torr), 1,064 × 10-4 Pa (8 × 10-7 Torr) bzw. 3,99 × 10-5 Pa (3 × 10-7 Torr) eingestellt. Daraufhin wurde die Sub­ strattemperatur auf 600°C erhöht, und dann wurden Se und Cu unter Bedingungen aufgedampft, bei denen die Drücke von Se und Ce auf 2,66 × 10-3 Pa (2 × 10-5 Torr) bzw. 3,99 × 10-5 Pa (3 × 10-7 Torr) eingestellt werden konnten. Dann wurden In, Ga und Se aufgedampft, während die Substrattemperatur bei 600°C gehalten wurde. Dadurch wurde eine Cu(In,Ga)Se2- Schicht ausgebildet.
Anschließend wurde durch ein chemisches Bad- oder Tauchbeschichtungsverfahren eine CdS-Schicht (die erste Halbleiterschicht 15) auf der Cu(In,Ga)Se2-Schicht aufge­ bracht. Dadurch wurde ein pn-Übergang gebildet. Daraufhin wurden eine ZnO-Schicht (die zweite Halbleiterschicht 16) und eine ITO-Schicht (die transparente leitfähige Schicht 17) nacheinander durch Sputtern ausgebildet. Im letzten Schritt wurden die Anschlußelektroden aus Au hergestellt. Dadurch wurde eine Solarzelle der Ausführungsform 1 herge­ stellt.
Die Kenngrößen dieser Solarzelle wurden unter Verwen­ dung von künstlichem Sonnenlicht mit einer Leistungsdichte von 100 mW/cm2 und einer atmosphärischen Masse (AM) von 1,5 gemessen. Dabei zeigte sich, daß die im vorliegenden Bei­ spiel erhaltene Solarzelle eine Kurzschlußstromdichte von 32,3 mA/cm2, eine Leerlaufspannung von 0,610 V, einen Füll­ grad von 0,750 und einen Konversionswirkungsgrad von 14,8% aufwies.
Daher wies die Solarzelle von Beispiel 1 ausgezeichnete Kenngrößen auf. In diesem Beispiel wurden die SiO2-Schichten als die Isolierschichten auf beiden Seiten der Platte aus rostfreiem Stahl ausgebildet, so daß verhindert wurde, daß während der Herstellung der Cu(In,Ga)Se2-Schicht eine Reak­ tion zwischen dem Se-Dampf und der Platte aus rostfreiem Stahl (der Basis) auftrat. Außerdem wurde verhindert, daß die Platte aus rostfreiem Stahl korrodiert , wenn sie während der Ausbildung der CdS-Schicht durch den chemischen Tauchbe­ schichtungsprozeß in eine basische oder alkalische wässerige Lösung eingetaucht wird. Dadurch wurde verhindert, daß die Solarzelle beschädigt wird oder ihre Flexibilität abnimmt, was durch eine Qualitätsabnahme der Platte aus rostfreiem Stahl verursacht wird.
Beispiel 2
In Beispiel 2 wird ein Verfahren zum Herstellen der Solarzelle 20 gemäß Ausführungsform 1 beschrieben.
Zu Beginn wurde eine Platte aus rostfreiem Stahl (mit einer Dicke von 100 µm) als Basis 11 vorbereitet. Dann wurde die Platte aus rostfreiem Stahl in einer Fluorgasatmosphäre wärmebehandelt. Dadurch wurden auf beiden Seiten der Platte aus rostfreiem Stahl Eisenfluoridschichten (die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b) ausgebildet. Die Dic­ ke der Eisenfluoridschichten wurde auf 0,2 im festgelegt. Dann wurde auf einer der Eisenfluoridschichten eine Mo- Schicht (mit einer Dicke von 0,8 µm) als die leitfähige Schicht 13 durch HF-Magnetronsputtern ausgebildet.
Daraufhin wurde die Schicht 21 als Na2S-Schicht auf der Mo-Schicht ausgebildet. Die Na2S-Schicht wurde durch Auf­ dampfen hergestellt.
Dann wurden eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht, eine CdS- Schicht, eine ZnO-Schicht, eine ITO-Schicht und Anschluße­ lektroden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 aus­ gebildet. Dadurch wurde eine Solarzelle gemäß Ausführungs­ form 1 hergestellt. Andererseits wurde durch das vorstehend beschriebene Verfahren auch eine Solarzelle hergestellt, die keine Na2S-Schicht aufwies.
Die Kenngrößen dieser beiden Solarzellen wurden unter Verwendung von künstlichem Sonnenlicht mit einer Leistungs­ dichte von 100 mW/cm2 und einer atmosphärischen Masse (AM) von 1,5 gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 1 darge­ stellt.
Tabelle 1
Wie gemäß Tabelle 1 ersichtlich ist, kann durch die Ausbildung der Na2S-Schicht eine Solarzelle mit ausgezeich­ neten Kenngrößen erhalten werden. Außerdem wurden wie in Beispiel 1 Eisenfluoridschichten auf beiden Seiten der Plat­ te aus rostfreiem Stahl ausgebildet, so daß verhindert wur­ de, daß durch den Se-Dampf oder die alkalische wässerige Lö­ sung die Qualität der Basis abnimmt und die Basis korro­ diert. Dadurch wurde verhindert, daß die Solarzelle beschä­ digt wird oder ihre Flexibilität abnimmt.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wird ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle gemäß Ausführungsform 1 unter Bezug auf die Fig. 5A bis 5E beschrieben. In Beispiel 3 wurde eine in­ tegrierte Solarzelle hergestellt. Die Fig. 5A bis 5E zei­ gen Querschnittansichten zum Darstellen der Fertigungs­ schritte.
Zu Beginn wurde eine flexible Platte 51 aus rostfreiem Stahl (mit einer Dicke von 100 µm) als die Basis 11 vorbe­ reitet. Dann wurde die Platte 51 aus rostfreiem Stahl in ei­ ner Fluorgasatmosphäre wärmebehandelt. Dadurch wurden auf beiden Seiten der Platte 51 aus rostfreiem Stahl Eisenflu­ oridschichten 52 (die erste und die zweite Isolierschicht 12a und 12b) ausgebildet. Die Dicke der Eisenfluoridschich­ ten 52 wurde auf 0,2 µm eingestellt. Dann wurde auf einer der Eisenfluoridschichten eine Mo-Schicht 53 (mit einer Dic­ ke von 0,8 µm) als die leitfähige Schicht 13 durch HF- Magnetronsputtern ausgebildet.
Anschließend wurden streifenförmige Abschnitte der Mo- Schicht 53 unter Verwendung eines Nd-YAG-Lasers entfernt. Dadurch wurde die Mo-Schicht 53 in mehrere streifenähnliche Abschnitte geteilt (vergl. Fig. 5A). Fig. 6 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen dieses Zustands der Mo-Schicht 53.
Dann wurde eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht. 54 als die Lich­ tabsorptionsschicht durch das gleiche Verfahren wie in Bei­ spiel 1 ausgebildet. Außerdem wurde eine CdS-Schicht 55 (die erste Halbleiterschicht 15) auf der Cu(In,Ga)Se2-Schicht 54 ausgebildet. Dadurch wurde ein pn-Übergang hergestellt (vergl. Fig. 5B).
Als nächster Schritt wurden streifenförmige Abschnitte der Cu(In,Ga)Se2-Schicht 54 und der CdS-Schicht 55, die di­ rekt neben und parallel zu den streifenförmigen Abschnitten der Mo-Schicht 53 angeordnet sind, die entfernt worden sind, durch eine mechanische Reißtechnik entfernt. Dadurch wurden die Cu(In,Ga)Se2-Schicht 54 und die CdS-Schicht 55 in mehre­ re streifenförmige Abschnitte geteilt (vergl. Fig. 5C).
Dann wurde ein mehrschichtiger Film 56 mit einer ZnO- Schicht (die zweite Halbleiterschicht 16) und einer ITO- Schicht (die transparente leitfähige Schicht 17) durch Sput­ tern ausgebildet. Dann wurden streifenförmige Abschnitte des mehrschichtigen Films 56, der Cu(In,Ga)Se2-Schicht 54 und der CdS-Schicht 55 durch die mechanische Reißtechnik ent­ fernt (vergl. Fig. 5D). Insbesondere wurden ihre streifen­ förmigen Abschnitte entfernt, die direkt neben und parallel zu den streifenförmigen Abschnitten der Cu(In,Ga)Se2-Schicht 54 und der CdS-Schicht 55 angeordnet sind, die im in Fig. 5C dargestellten Schritt entfernt worden sind. Dadurch wurden auf der Isolierschicht 52 mehrere in Serie geschaltete Zel­ leneinheiten 57 ausgebildet.
Schließlich wurden die Anschlußelektroden 58 und 59 ausgebildet. Dadurch wurde eine Solarzelle mit einer inte­ grierten Struktur hergestellt (vergl. Fig. 5E).
Außerdem wurde auch eine Solarzelle mit einer nicht­ integrierten Struktur hergestellt. Die Kenngrößen dieser beiden Solarzellen wurden unter Verwendung von künstlichem Sonnenlicht mit einer Leistungsdichte von 100 mW/cm2 und ei­ ner atmosphärischen Masse von 1,5 gemessen. Die Meßergebnis­ se sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Wie gemäß Tabelle 2 ersichtlich ist, wird durch die Se­ rienschaltung der Zelleneinheiten eine Solarzelle mit einer hohen Ausgangsspannung erhalten. Außerdem hat, wenn eine Ba­ sis aus Metall verwendet wird, das Substrat eine gleichmäßi­ ge Temperatur, so daß eine gleichmäßige Lichtabsorptions­ schicht eines kristallinen Halbleiters auch mit einer großen Fläche ausgebildet werden kann. Weil die im vorliegenden Beispiel hergestellte Solarzelle eine relativ kleine Fläche aufweist, ist der Konversionswirkungsgrad der in Tabelle 2 dargestellten, integrierten Solarzelle etwas niedrig. Hin­ sichtlich des Verlust aufgrund des Elektrodenwiderstands oder eines Flächenverlust aufgrund einer Strom- oder Sammel­ schiene gilt jedoch: je größer die Fläche der Solarzelle ist, in desto höherem Maße ist die integrierte Struktur vor­ teilhaft.
Beispiel 4
In Beispiel 4 wird ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. Zu Beginn wurde eine flexible Platte aus rostfreiem Stahl (mit einer Dicke von 100 µm) als die Basis 11 vorbe­ reitet. Dann wurden auf einer Oberfläche der Platte aus rostfreiem Stahl eine Kalknatronglasschicht (die Isolier­ schicht 32) und eine Mo-Schicht (die leitfähige Schicht 13) nacheinander durch HF-Magnetronsputtern ausgebildet. Die Dicken der Kalknatronglasschicht und der Mo-Schicht wurden auf 0,5 µm bzw. auf 1 µm eingestellt.
Dann wurden eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht, eine CdS- Schicht, eine ZnO-Schicht, eine ITO-Schicht und Anschluße­ lektroden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 aus­ gebildet. Dadurch wurde eine Solarzelle gemäß Ausführungs­ form 2 hergestellt.
Andererseits wurde eine Solarzelle auch unter Verwen­ dung einer Al2O3-Schicht an Stelle der Kalknatronglasschicht durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt. Die Kenngrößen dieser beiden Solarzellen wurden unter Verwendung von künstlichem Sonnenlicht mit einer Leistungsdichte von 100 mW/cm2 und einer atmosphärischen Masse von 1,5 gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Wie gemäß Tabelle 3 ersichtlich ist, wird durch die Verwendung der Isolierschicht, die ein Element der Gruppe Ia enthält, eine Solarzelle mit guten Kenngrößen bereitge­ stellt.
Beispiel 5
In Beispiel 5 wird ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle 40 gemäß Ausführungsform 2 beschrieben.
Zu Beginn wurde eine flexible Platte aus rostfreiem Stahl (mit einer Dicke von 100 µm) als die Basis 11 vorbe­ reitet. Dann wurde auf einer Oberfläche der Platte aus rost­ freiem Stahl eine Al2O3 (die Isolierschicht 32) durch HF- Magnetronsputtern ausgebildet. Die Dicke der Al2O3-Schicht wurde auf 0,5 µm eingestellt. Dann wurde eine Mo-Schicht (mit einer Dicke von 1 µm) als die leitfähige Schicht 13 durch HF-Magnetronsputtern ausgebildet.
Dann wurde auf der Mo-Schicht eine Na2S-Schicht 41 aus­ gebildet. Die Na2S-Schicht wurde durch Aufdampfen herge­ stellt.
Dann wurden eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht, eine CdS- Schicht, eine ZnO-Schicht, eine ITO-Schicht und Anschluße­ lektroden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 aus­ gebildet. Dadurch wurde eine Solarzelle gemäß Ausführungs­ form 2 hergestellt.
Andererseits wurde durch das vorstehend beschriebene Verfahren auch eine Solarzelle hergestellt, die keine Na2S- Schicht aufwies. Die Kenngrößen dieser beiden Solarzellen wurden unter Verwendung von künstlichem Sonnenlicht mit ei­ ner Leistungsdichte von 100 mW/cm2 und einer atmosphärischen Masse von 1,5 gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4
Wie gemäß Tabelle 4 ersichtlich ist, wird durch die Ausbildung der Na2S-Schicht eine Solarzelle mit guten Kenn­ größen bereitgestellt.
Beispiel 6
In Beispiel 6 wird ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle 40 gemäß Ausführungsform 2 unter Bezug auf die Fig. 7A bis 7E beschrieben. In Beispiel 6 wurde eine integrierte Solarzelle hergestellt. Die Fig. 7A bis 7E zeigen Querschnittansichten zum Darstellen von Fertigungs­ schritten.
Zu Beginn wurde eine flexible Platte 71 aus rostfreiem Stahl (mit einer Dicke von 100 µm) als die Basis 11 vorbe­ reitet. Dann wurden auf einer Oberfläche der Platte 71 aus rostfreiem Stahl eine Al2O3-Schicht 72 (die Isolierschicht 32) und eine Mo-Schicht 73 (die leitfähige Schicht 13) nach­ einander durch HF-Magnetronsputtern ausgebildet. Die Dicken der Al2O3-Schicht 72 und der Mo-Schicht 73 wurden auf 0,5 µm bzw. 1 µm eingestellt.
Dann wurden streifenförmige Abschnitte der Mo-Schicht 73 entfernt. Dadurch wurde die Mo-Schicht 73 in mehrere streifenförmige Abschnitte geteilt (vergl. Fig. 7A).
Anschließend wurden eine Cu(In,Ga)Se2-Schicht 74 und eine CdS-Schicht 75 ausgebildet (vergl. Fig. 7B). Dann wur­ den die Cu(In,Ga)Se2-Schicht 74 und eine CdS-Schicht 75 in mehrere streifenförmige Abschnitte geteilt (vergl. Fig. 7C).
Daraufhin wurde ein mehrschichtiger Film 76 mit einer ZnO-Schicht (die zweite Halbleiterschicht 16) und einer ITO- Schicht (die transparente leitfähige Schicht 17) ausgebil­ det. Daraufhin wurden streifenförmige Abschnitte des mehr­ schichtigen Films 76, der Cu(In,Ga)Se2-Schicht 74 und der CdS-Schicht 75 entfernt (vergl. Fig. 7D). Dadurch wurden auf der Platte 71 aus rostfreiem Stahl als die Basis mehrere in Serie geschaltete Zelleneinheiten 77 ausgebildet.
Schließlich wurden die Anschlußelektroden 78 und 79 ausgebildet. Dadurch wurde eine Solarzelle mit einer inte­ grierten Struktur hergestellt (vergl. Fig. 7E). Die in den Fig. 7A bis 7E dargestellten Schritte wurden auf die gleiche Weise ausgeführt wie die in denFig. 5A bis 5E dargestellten Schritte.
Die Kenngrößen der durch das vorstehend erwähnte Ferti­ gungsverfahren hergestellten Solarzelle wurden gemessen. Da­ durch wurden ähnliche ausgezeichnete Kenngrößen erhalten wie bei der Solarzelle von Beispiel 3.

Claims (22)

1. Solarzelle mit:
einer leitfähigen Basis;
einer auf einer Hauptebene der leitfähigen Basis ausgebildeten ersten Isolierschicht;
einer auf einer zweiten Hauptebene der leitfähigen Basis ausgebildeten zweiten Isolierschicht; und
einer über der ersten Isolierschicht angeordneten Lichtabsorptionsschicht;
wobei die Lichtabsorptionsschicht aus einem Halb­ leiter gebildet wird, der jeweils mindestens ein Ele­ ment der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, ferner mit mehreren auf der ersten Isolierschicht in Serie geschalteten Zellenein­ heiten.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähige Basis aus Metall hergestellt ist; und
der Halbleiter Cu, mindestens ein Element der aus In und Ga bestehenden Gruppe und mindestens ein Element der aus Se und S bestehenden Gruppe aufweist.
4. Solarzelle nach Anspruch 3, wobei die leitfähige Basis aus rostfreiem Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
5. Solarzelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ferner mit:
einer auf der ersten Isolierschicht ausgebildeten leitfähigen Schicht; und
einer zwischen der leitfähigen Schicht und der Lichtabsorptionsschicht angeordneten Schicht A;
wobei die Schicht A ein Element der Gruppe Ia auf­ weist.
6. Solarzelle nach Anspruch 5, wobei das Element der Grup­ pe Ia Na ist.
7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste und die zweite Isolierschicht eine mittlere Dicke von nicht mehr als 0,5 µm aufweisen.
8. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste und die zweite Isolierschicht aus einem Oxid und/oder einem Fluorid gebildet wird.
9. Solarzelle nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Isolierschicht im wesentlichen aus Siliciumoxid bestehen.
10. Solarzelle nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Isolierschicht im wesentlichen aus Eisenfluorid bestehen.
11. Solarzelle mit:
einer leitfähigen Basis;
einer auf der leitfähigen Basis ausgebildeten Iso­ lierschicht;
einer auf der Isolierschicht ausgebildeten leitfä­ higen Schicht; und
einer über der leitfähigen Schicht angeordneten Lichtabsorptionsschicht;
wobei mindestens eine zwischen der leitfähigen Ba­ sis und der Lichtabsorptionsschicht angeordnete Schicht ein Element der Gruppe Ia aufweist; und
die Lichtabsorptionsschicht aus einem Halbleiter gebildet wird, der jeweils mindestens ein Element der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist.
12. Solarzelle nach Anspruch 11, ferner mit mehreren auf der Isolierschicht in Serie geschalteten Zelleneinhei­ ten.
13. Solarzelle nach Anspruch 11 oder 12, wobei die leitfä­ hige Basis aus Metall hergestellt ist; und
der Halbleiter Cu, mindestens ein Element der aus In und Ga bestehenden Gruppe und mindestens ein Element der aus Se und S bestehenden Gruppe aufweist.
14. Solarzelle nach Anspruch 13, wobei die leitfähige Basis aus rostfreiem Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet wird.
15. Solarzelle nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, wobei die Isolierschicht das Element der Gruppe Ia aufweist.
16. Solarzelle nach Anspruch 15, wobei die Isolierschicht aus einem Na-haltigen Oxid gebildet wird.
17. Solarzelle nach Anspruch 16, wobei die Isolierschicht aus Kalknatronglas gebildet wird.
18. Solarzelle nach Anspruch 15, wobei die Isolierschicht aus NaF gebildet wird.
19. Solarzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner mit einer zwischen der leitfähigen Schicht und der Lichtabsorptionsschicht angeordneten Schicht B,
wobei die Schicht B ein Element der Gruppe Ia auf­ weist.
20. Solarzelle nach Anspruch 19, wobei die Schicht B aus Na2S oder NaF gebildet wird.
21. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einer leitfähigen Basis, mit den Schritten:
  • a) Ausbilden eines mehrschichtigen Films, der ei­ ne leitfähige Schicht und eine Schicht enthält, die ein Element der Gruppe Ia aufweist, auf der leitfähigen Ba­ sis; und
  • b) Ausbilden einer Lichtabsorptionsschicht, die aus einem Leiter gebildet wird, der jeweils mindestens ein Element der Gruppen Ib, IIIb bzw. VIb aufweist, auf dem mehrschichtigen Film.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die leitfähige Basis aus Metall besteht, und
der Halbleiter Cu, mindestens ein Element der aus In und Ga bestehenden Gruppe und mindestens ein Element der aus Se und S bestehenden Gruppe enthält.
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