DE10120579C2 - Hochsensibler Feuchteindikator für Dünnfilmtechnologie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrschichtelement zur Verwendung als hochsensibler Feuchteindikator sowie ein Ver­ fahren zur Herstellung des Mehrschichtelementes. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Mehrschichtelements auf dem Gebiet der Dünnschicht-Technologie und entsprechende Testmodule.

Die Stromgewinnung auf der Basis photovoltaischer Module ge­ winnt insbesondere aufgrund der ökologischen Vorteile zuneh­ mend an Bedeutung. Übliche Solarzellen oder Solarmodule, aber auch andere strahlungsempfindliche Bauelemente wie beispielsweise Detektoren und optoelektronische Elemente, wie z. B. LCD-Schirme, umfassen eine oder mehrere auf einem Trägersubstrat angeordnete Dünnschichten, welche gegenüber Feuchtigkeit und/oder Korrosion hochempfindlich sind. Insbesondere die optischen und/oder elektrisch aktiven Dünn­ schichten sind häufig hochgradig feuchteempfindlich. Bei­ spielhaft seien in diesem Zusammenhang laminierte Solarmodule mit bordotierten Zinkoxidelektrodenschichten genannt. Setzt man beispielsweise entsprechende Dünnschichtelemente bei der Durchführung eines üblichen Damp-Heat-Klimatests Wasserdampf aus, so beobachtet man insbesondere bei erhöhter Temperatur eine ungewöhnlich starke Degradation.

Die durch den Feuchteeintrag verursachten unerwünschten Degradationen wirken sich wiederum nachteilig auf die Funktionsfähigkeit des jeweiligen Mehrschichtelements aus. Bei Solar-Modulen ist beispielsweise eine signifikante Abnahme des Wirkungsgrades zu beobachten.

Ein photovoltaisches Modul mit einer Verkapselung zum Schutz des Moduls vor Feuchtigkeit ist beispielsweise aus der US 6 069 313 bekannt. Das Modul besteht aus einer Vielzahl photovoltaischer Zellen mit Mehrschichtaufbau. Die Zellen, die beispielsweise auf einem transparenten Substrat aufgebracht sind, verfügen über eine poröse, elektrisch leitende Schicht. Diese Schicht ist beispielsweise aus pulverförmigem und daher besonders feuchtigkeitsempfindlichem Molybdän.

Besonders feuchte- und korrosionsempfindliche Komponenten sind auch in den sogenannten CIGSeS- (Kupfer-Indium- Galliumselenid-Sulfid) oder auch CIGS-Dünnschicht- Solarmodulen enthalten. Die CIGS-Absorberschicht ist besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Gleiches gilt für die sogenannten CIS-Module, bei welchen statt des herkömmliche Siliciums Kupfer-Indium-Selinid auf Glas aufgedampft wird.

Ein derartiges CIS-Modul ist beispielsweise aus der US 5 474 939 bekannt. Dabei ist direkt auf dem Glas eine als sogenannte Rückelektrode des CIS-Moduls fungierende Molybdänschicht aufgebracht. Auf der Molybdänschicht ist die CIS-Absorberschicht aufgebracht. Als Gegenelektrode ist über der CIS-Absorberschicht eine transparente, elektrisch leitende Zinkoxidschicht aufgetragen.

Aufgrund der Feuchtigskeits- und/oder Korrosionsempfindlich­ keit der vorgenannten Bauelemente, werden diese üblicherweise mit einer "Schutzschicht" versehen. Die Laminierung bzw. Verkapselung von Dünnschicht-Solarmodulen ist eine seit langem verwendete Technologie. Durch das Aufbringen einer Laminierung auf die feuchte- und/oder korrosionsempfindlichen Schichten soll das Eindiffundieren von Feuchtigkeit verhindert werden. Im Stand der Technik sind verschiedenste Verkapselungs-Materialien und auch Aufbringungsverfahren beschrieben. Häufig eingesetzte Verkapselungs- bzw. Laminierungsmaterialien sind beispielsweise PVB-Folie (Polyvinylbutyral) oder EVA-Folien (Ethylen-Vinylacetat- Copolymer). Aber auch Zwei-Komponenten-Siliconkautschuk, Siliconharze, doppelseitig selbstklebende Folien oder Polyurethan-Gießharze finden als Laminierungsmaterialien Verwendung.

Ein bekanntes Problem im Zusammenhang mit den Aufbringungsverfahren ist, daß bei der Laminierung der Bauelemente häufig geringe Mengen an Feuchtigkeit eingebracht werden. Es besteht daher die Notwendigkeit, ständige diesbezügliche Kontrollen durchzuführen.

Bei der Entwicklung neuer Laminierungs- bzw. Verkapselungsverfahren wie auch bei der routinemäßigen Durchführung von Laminierungsprozessen ist es demnach unabdingbar zu untersuchen, ob durch den Arbeitsprozeß "Laminierung" Feuchtigkeit eingetragen wurde und ob das entsprechende Dünnschicht-Bauelement den gestellten Anforderungen genügt. Um die am Markt gefragten Qualitätsanforderungen zu erfüllen, müssen beispielsweise Solarmodule eine Reihe unterschiedlicher Testverfahren erfolgreich durchlaufen. Ein Verfahren, daß die Klimabeständigkeit von Solarmodulen überprüfen soll, ist der sogenannte "Damp-Heat-Test". Nach der bekannten Norm IEC 1215 werden die Module während des Tests u. a. für 1 000 Stunden einer Temperatur von 85°C bei 85% relativer Luftfeuchte ausgesetzt. Der Klimatest gilt als bestanden, wenn der Wirkungsgradverlust des getesteten Solarmoduls 5% nicht übersteigt.

Aus der JP 55023496 A und der 52107037 A1 ist jeweils ein Feuchteindikator bekannt, dessen Farbe von einer Umgebungsfeuchtigkeit abhängt. Der Feuchteindikator ist ein Produkt einer mehrstufigen Reaktion, bei der unter anderem Ammoniummolybdat eingesetzt wird.

In der Dünnfilmtechnologie werden zum Nachweis der Feuchte, welche beispielsweise durch die Laminierfolie eingebracht wird oder während des Damp-Heat-Tests eingedrungen bzw. eindiffundiert ist, derzeit üblicherweise Testcoupons mit CVD-ZnO:B-Schichten, welche auf ein Glassubstrat aufgebracht sind, verwendet. Die Dicke der CVD-ZnO:B-Schicht beträgt üblicherweise 1 200 bis 1 500 nm. Alternativ können auch Testcoupons mit Molybdän-Schichten zum Nachweis von Feuchte eingesetzt werden. Diese beiden bisher verwendeten Testcoupons bringen jedoch eine Reihe gravierender Nachteile mit sich.

Die heute üblichen CVD-ZnO:B-Testcoupons weisen Kontaktbändchen aus verzinntem Kupfer auf, welche an den gegenüberliegenden Rändern des Coupons mit Ultraschall angelötet werden. Diese Kontaktbändchen werden auch als Busbars bezeichnet. Auf das resultierende Testmodul wird dann die Laminierfolie und über der Laminierfolie ein zweites Glassubstrat bzw. eine zweite Glasplatte aufgebracht. Das so erhaltene Dünnschicht-Paket bzw. -Modul wird dann unter Anwendung von Temperatur und Druck unter üblichen Bedingungen verkapselt. CVD-ZnO:B weist bei den oben angegebenen Schichtdicken einen Flächenwiderstand von wenigen Ohm auf.

Das Verfahren zur Prüfung der Verkapselung an einem solchen Testcoupon beruht darauf, daß eindringende bzw. eingebrachte Feuchte bei erhöhter Temperatur zu einem irreversiblen Anstieg des Flächenwiderstandes führt. Somit kann nachgewiesen werden, ob das Testmodul Feuchte enthält. Ein gravierender Nachteil dieses Testcoupons bzw. dieses Nachweisverfahrens liegt darin, daß die Testzeit bis zum Erhalt aussagekräftiger Ergebnisse insgesamt 1 000 Stunden beträgt.

Eine leichte Trübung der ZnO-Schicht des Testcoupons kann als Hinweis auf den Weg gedeutet werden, den die eindringende Feuchte ins Innere des Testcoupons genommen hat. Das Testverfahren erlaubt jedoch nur unzulänglich und unzuverlässige Aussagen über den Diffusionsweg des Wasserdampfes im Laminat. Dies ist aus nachvollziehbaren Gründen sehr nachteilig, da es bei der Überprüfung der Verkapselung bzw. Laminierung natürlich von großem Interesse ist, diejenigen Stellen zu finden bzw. nachzuweisen, an welchen die Feuchtigkeit in das Laminat eindringt. Wie bereits erwähnt, liegt ein weiterer gravierender Nachteil des vorbeschriebenen Verfahrens darin, daß die Testzeit insgesamt 1 000 Stunden beträgt.

Die vorbeschriebenen Nachteile gelten in gleichem Maße auch für die weniger verbreiteten CVD-ZnO-Testcoupons, die zudem auch noch relativ unempfindlich für ein solches Testverfahren sind.

Wie bereits erwähnt, wird zur Überprüfung der Qualität der Oberflächenverkapselung routinemäßig ein sogenannter Damp- Heat-Test durchgeführt. Dieser soll sicherstellen, daß die Verkapselung möglichst einen 100%igen Schutz vor Feuchtigkeit bietet. Hierzu wird üblicherweise ein wie oben beschrieben geartetes Testcoupon genauso wie ein entsprechendes Solarmodul mit einer Verkapselung versehen und anschließend dem Damp-Heat-Test unterzogen. In diesem Testverfahren werden die Testcoupons für 1 000 Stunden bei 85°C einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% ausgesetzt. Nach dem Test wird die Änderung des Widerstandswertes zwischen den Kontaktbändchen gemessen. Aus der Differenz der gemessenen Widerstandswerte vor und nach dem Test läßt sich qualitativ die Dichtheit der Verkapselung anhand der Wirkungsgradverluste abschätzen.

Im Hinblick auf die Qualitätssicherung und die Weiterent­ wicklung von Dünnschicht-Bauelementen ist es notwendig auch den Diffusionsweg der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen abzuschätzen. Um die Qualität bzw. Dichtheit der Verkapselung selbst zu überprüfen, werden beispielsweise kleinere CIS- Dünnfilm-Module im Labormaßstab von 10 × 10 cm² hergestellt. Das mit einer CVD-ZnO:B-Schicht und Busbars versehene Schichtpaket wird auf eine Gegenscheibe laminiert und dem üblichen Damp-Heat-Test unterzogen. Bei der Durchführung des Damp-Heat-Tests an sogenannten Minimodulen bzw. Fertigmodulen werden verschiedene elektrische Eigenschaften vor und nach dem Test verglichen. Insbesondere wird die Leerlaufspannung, der Strom, Füllfaktor und Wirkungsgrad der Module bestimmt. Auch hier beträgt die Testzeit 1 000 Stunden. Das Verfahren erlaubt außerdem eine nur sehr grobe Abschätzung des Diffusionsgrades bzw. der Menge an Feuchtigkeit, da das Fenstermaterial ZnO der CIS-Minimodule nach der Durchführung des Damp-Heat-Tests milchig trübe ist und die Diffusionswege der Feuchtigkeit daher nur schwer zu lokalisieren sind.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bisher verwendeten Verfahren zur qualitativen Überprüfung der Verkapselung an Testcoupons bzw. Fertigmodulen den großen Nachteil aufweisen, daß die entsprechenden Tests 1 000 Stunden dauern. Angesichts der Tatsache, daß bereits ausgereifte Verkapselungsverfahren immer wieder überprüft werden müssen bzw. ständig neue Verkapselungsverfahren entwickelt werden, sind derart lange Testzeiten für die Erprobung der Verkapselung bzw. den Nachweis der Dichtheit der Verkapselung äußerst nachteilig und aufgrund des hohen Zeitaufwandes sehr kostenintensiv. Des weiteren läßt sich anhand der bisherigen Testcoupons bzw. Minimodule zwar der Eintrag von Feuchtigkeit nachweisen, nicht jedoch der Diffusionsweg der Feuchtigkeit. Dies ist insofern von großem Nachteil, da der Diffusionsweg wichtige Rückschlüsse auf die Verkapselung selbst bzw. das untersuchte Verkapselungsverfahren ermöglichen könnte.

Es wäre daher sehr wünschenswert, ein Verfahren zur Prüfung der Verkapselung an Dünnschicht-Bauelementen bzw. zum Nachweis von Feuchtigkeit zur Verfügung zu haben, welches mit einer deutlich reduzierten Testzeit auskommt. Der entsprechende Feuchteindikator bzw. das Testelement sollte nicht nur einen sehr schnellen Nachweis von Feuchtigkeit ermöglichen, sondern darüber hinaus hochsensibel gegenüber Feuchte sein. Es wäre weiterhin wünschenswert, daß die Auswertung des Testverfahrens möglichst einfach erfolgt, beispielsweise ohne aufwendige Messungen bestimmter elektrischer Eigenschaften. Es wäre außerdem von großem Interesse, einen Indikator zur Verfügung zu haben, welcher den Diffusionsweg der Feuchtigkeit sichtbar macht, also einen flächenaufgelösten Nachweis erlaubt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochsensiblen, schnell ansprechenden Feuchteindikator zum Nachweis von Feuchtigkeit bzw. zur Untersuchung der Verkapselung an Dünnschicht-Bauelementen zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feuchteindikator zur Verfügung zu stellen, der die Bestimmung der Diffusionswege von Feuchtigkeit an verkapselten Modulen erlaubt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hochsensiblen Feuchteindikator zur Verfügung zu stellen, bei dem die entsprechenden Testergebnisse auf möglichst einfache Art und Weise bestimmbar bzw. ablesbar sind. Der Feuchteindikator sollte außerdem nach einem möglichst einfachen Herstellungsverfahren erhältlich sein.

Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung der vorgenannten Aufgaben liegt in der Bereitstellung eines Mehrschichtelementes zur Verwendung als Feuchteindikator, wobei das Mehrschichtelement eine Molybdän-haltige Schicht, eine Natrium-haltige Indikatorschicht und ein Trägersubstrat umfaßt. Die Molybdän­ haltige Schicht befindet sich in einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform zwischen Trägersubstrat und Natrium-haltiger Indikatorschicht.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das erfindungsgemäße Mehrschichtelement bzw. der Feuchteindikator einen sehr empfindlichen Nachweis von Feuchte, beispielsweise in verkapselten Dünnschicht-Bauelementen ermöglicht. Das erfindungsgemäße Indikatorprinzip beruht darauf, daß in den Indikator bzw. das Mehrschichtelement eindringende Feuchtigkeit die Oxidation des Molybdäns bewirkt. Die Molybdänoxide bilden insbesondere bei erhöhter Temperatur mit dem in der Indikatorschicht enthaltenem Natrium farbige Molybdänbronzen. Das erfindungsgemäße Indikatorsystem bietet daher den Vorteil, daß eingedrungene bzw. eingetragene Feuchtigkeit an dem erfindungsgemäß aufgebauten Mehrschichtelement optisch problemlos erkennbar ist und keiner aufwendigen Auswertungsmethoden bedarf.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Indikatorprinzips besteht darin, daß man ein flächenaufgelöstes Ergebnis erhält, d. h. daß die Diffusionswege der Feuchtigkeit nachweisbar sind. An den Stellen, an denen beispielsweise Feuchtigkeit durch die Verkapselung eindringt, verfärbt sich das Mehrschichtelement bzw. der Feuchteindikator je nach Feuchtemenge von silbergrau bis schwarz.

Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß der Nachweis von Feuchte mit Hilfe der Mehrschichtelemente gemäß der vorliegenden Erfindung in wesentlich kürzerer Zeit erfolgt und eine deutliche Zeitersparnis mit sich bringt, da die erfindungsgemäßen Mehrschichtelemente um ein Vielfaches empfindlicher sind als die bisher eingesetzten Testcoupons. Der erfindungsgemäße Indikator reagiert somit wesentlich schneller auf Feuchte, so daß ein entsprechendes Testverfahren bereits nach 5 bis 10 Tagen abgeschlossen ist. Wie bereits ausgeführt, beträgt die Testdauer bei Verwendung der bisher bekannten Testcoupons ca. 42 Tage.

Wie bereits dargelegt, führen in Dünnschicht-Bauelementen, wie z. B. CIS-Dünnschicht-Solarmodulen und CIGSeS-Dünnschicht- Solarmodulen, bereits geringste Mengen an Feuchtigkeit zur irreversiblen Degradation des Modulwirkungsgrades. Es ist daher als besonders vorteilhaft anzusehen, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mehrschichtelemente möglich ist, die Feuchtigkeitspfade sichtbar zu machen bzw. nachzuweisen. Insbesondere der Nachweis, an welcher Stelle des zu untersuchenden Elements Feuchte eindringt, ist bei der Beurteilung der verschiedenen Verkapselungsverfahren von größter Bedeutung.

In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Natrium-haltige Indikatorschicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 100 nm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 50 nm und besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 40 nm auf. Es ist besonders bevorzugt, daß die Natrium-haltige Indikatorschicht wenigstens 50 ng/cm², vorzugsweise wenigstens 100 ng/cm², besonders bevorzugt wenigstens 300 ng/cm² und insbesondere bevorzugt zwischen 300 und 500 ng/cm² Natrium enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Natrium in der Natrium-haltigen Indikatorschicht im wesentlichen homogen verteilt.

Die Natrium-haltige Indikatorschicht ist in Abwesenheit von Feuchtigkeit, also beispielsweise unter Vakuum oder in absolut trockener Umgebung, vorzugsweise im wesentlichen transparent. Erst bei Anwesenheit geringster Mengen Feuchtigkeit verfärbt sich die Schicht innerhalb von ca. 1 Minute rauchbeige und in den nachfolgenden 10 bis 15 Minuten dann dunkelbraun bis blaugrau.

In einer weiteren erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform weist die im Mehrschichtelement enthaltene Molybdän-haltige Schicht eine Dicke im Bereich von 100 bis 2 000 nm, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 1 000 nm und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 700 nm auf.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Trägersubstrat ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine glatte oder strukturierte Oberfläche, vorzugsweise ein Glassubstrat, mehr bevorzugt eine Glasplatte und besonders bevorzugt eine sogenannte Floatglasplatte, und/oder ein Minimodul bzw. Fertigmodul. Minimodule im Sinne der vorliegenden Erfindung sind, wie bereits oben ausgeführt, beispielsweise kleinere CIS- Dünnfilm-Module. Das erfindungsgemäße Indikatorprinzip läßt sich grundsätzlich aber auf jede beliebige Struktur bzw. Oberfläche anwenden, welche mit einer transparenten Laminierung oder Verkapselung versehen wird. Hierzu wird auf das entsprechende Trägersubstrat die erfindungsgemäß vorgesehene Molybdän-haltige Schicht und die Natrium-haltige Indikatorschicht aufgebracht, das erhaltene Mehrschichtelement laminiert bzw. verkapselt und anschließend beispielsweise einem Damp Heat Test unterzogen.

Es ist bevorzugt, daß das Mehrschichtelement Kontaktbändchen, sogenannte Busbars, aufweist, welche vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden des Elementes, besonders bevorzugt parallel zu den Kanten des Elementes angebracht sind. Vorgenannte Kontaktbändchen bestehen vorzugsweise aus verzinntem Kupfer oder Aluminium. Je nach Material werden die Busbars mit Ultraschall auf das Substrat aufgelötet und/oder geschweißt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrschichtelemente.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren folgende Schritte:

• a) Abscheiden der Molybdän-haltigen Schicht auf dem Trägersubstrat, vorzugsweise durch PVD-Abscheidung;
• b) gegebenenfalls Anbringen von Kontaktbändchen, vorzugsweise durch Anlöten oder Anschweißen; und
• c) Abscheiden der Natrium-haltigen Indikatorschicht auf der Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise durch PVD- Abscheidung.

Wie vorstehend ausgeführt, erfolgt das Aufbringen der Molybdän-haltigen Schicht bzw. der Natrium-haltigen Indikatorschicht durch "physical vapour deposition" (PVD). Hierunter werden Vakuum-Beschichtungsverfahren zur Herstellung dünner Schichten verstanden, bei denen das Beschichtungsmaterial durch physikalische Methoden in die Gasphase überführt wird, um dann auf dem Substrat abgeschieden zu werden. Zu den gängigen PVD-Verfahren zählt auch das erfindungsgemäß bevorzugte Zerstäuben bzw. Sputtern. Beim Zerstäuben bzw. Sputtern wird ein Target, welches das gewünschte Beschichtungsmaterial enthält, mit energiereichen Edelgasionen beschossen. Häufig erfolgt die Abscheidung der Schichten mit Hilfe eines Argonplasmas im Vakuum.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Natrium-haltige Indikatorschicht durch Sputtern eines Kupfer-haltigen Natriumselenit-Targets (Cu-Na₂SeO₃-Target) abgeschieden. Das zum Abscheiden der Indikatorschicht besonders bevorzugte Target ist aus Kupferpulver mit 10 at% Na₂SeO₃-Anteil herstellbar, indem ein homogenes Gemisch der beiden Substanzen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur zu einer Targetplatte verpreßt werden. Die nach dem Sputtern des besonders bevorzugten Targets erhaltene Schicht ist unter Vakuum oder in absolut trockener Umgebung transparent. Die so erhaltene Schicht ist unter trockenen Bedingungen schwach bräunlich gefärbt.

Alternativ zu dem beschriebenen Sputterverfahren, kann die Aufbringung bzw. das Aufdampfen der Natriumschicht durch Erwärmen eines Natrium-haltigen Pulvers erfolgen. Für die Aufbringung der Na-Schicht wird vorzugsweise ein mit Na- Pulver befülltes Keramikschiffchen auf die erforderliche Verdampfungstemperatur erwärmt. Das verwendete Natriumpulver wird vor dem Aufdampfungsprozeß vorzugsweise getrocknet. Als besonders geeignet für dieses Verfahren hat sich wasserfreies Na₂SeO₃-Pulver erwiesen. Die entsprechende Verdampfungs­ temperatur bei Verwendung von Na₂SeO₃-Pulver beträgt 1150°C. Aufgrund der hohen aufzuwendenden Verdampfungstemperaturen ist das vorstehende Aufdampfungsverfahren nicht für alle Anwendungen uneingeschränkt geeignet. Problematisch können derart hohe Aufdampfungstemperaturen beispielsweise bei der Untersuchung von strukturierten fertig prozessierten Minimodulen sein. In diesem Fall ist das weiter oben beschriebene Sputterverfahren besser geeignet.

Auch die Aufbringung der Molybdän-haltigen Schicht erfolgt vorzugsweise durch Sputter-Technologie. Beispielsweise sind auch die zur Herstellung von üblichen CIS-Modulen hergestellten bzw. verwendeten Molydän-Rückelektroden für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrschichtelementes zum Nachweis von Feuchtigkeit, vorzugsweise zum Nachweis von bei der Laminierung des Elementes eingetragener und/oder nach der Laminierung bzw. Verkapselung eindringender Feuchte.

Vorzugsweise kann das Mehrschichtelement gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Nachweis von Feuchtigkeit, welche während des Damp-Heat-Tests in das entsprechende Dünnschicht-Modul bzw. in die Verkapselung eindringt, verwendet werden.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Mehrschichtelement zur Bestimmung und/oder Verfolgung der Feuchtigkeitspfade in einem laminierten bzw. verkapselten Element verwendet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Testmodul bereitgestellt, welches zum Nachweis von Feuchtigkeit geeignet ist und ein erfindungsgemäßes Mehrschichtelement sowie eine auf Feuchtigkeit zu untersuchende Laminierung bzw. Verkapselung aufweist.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist ein Testmodul zur Verwendung im Damp-Heat-Test ein erfindungsgemäßes Mehrschichtelement sowie eine zu untersuchende Laminatschicht auf, welche auf die Natrium- haltige Indikatorschicht auflaminiert ist und gegebenenfalls ein über der Laminatschicht befindliches abschließendes Trägersubstrat, vorzugsweise ein Glassubstrat. Das beschriebene Testmodul bzw. Schichtpaket, welches vorzugsweise auch sogenannte Busbars aufweist, eignet sich besonders gut zur Bestimmung der Güte der Verkapselung mit Hilfe des Damp-Heat-Tests.

Das erfindungsgemäße Indikatorprinzip läßt sich auch ohne weiteres auf sogenannte Minimodule übertragen. Wie bereits ausgeführt, erlaubt der erfindungsgemäße hochsensible Feuchteindikator bzw. das Mehrschichtelement die Darstellung der Diffusionswege der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen. Zur Untersuchung der Feuchtigkeitspfade an Minimodulen wird das fertig prozessierte Minimodul als Trägersubstrat verwendet und gemäß dem oben beschriebenen Verfahren mit einer Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 300 bis 400 nm, und anschließend mit einer Natrium-haltige Indikatorschicht versehen.

Fertige Minimodule weisen üblicherweise sogenannte Strukturierungslinien auf, um das hintereinander Verschalten der Zellen eines Moduls zu realisieren. Die Strukturierung der Minimodule erfolgt üblicherweise, indem die gesputterte ZnO-Schicht mit einer Dick von ca. 1100-1500 nm komplett aufgetrennt bzw. mit tiefen Strukturierungsgräben versehen wird. Diese Strukturierungsgräben können als Kanal für eventuell vorhandene und/oder durch das Laminierungsverfahren eingetragene Feuchtigkeit wirken, wenn die Gräben nicht vollständig mit dem Laminat ausgefüllt sind. Die Strukturierungsgräben bewirken in diesem Fall die Diffusion der Feuchtigkeit entlang der Strukturierung und führen zu einer regelrechten Kapillarwirkung. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Feuchteindikators können solche Diffusionswege der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen sichtbar gemacht werden und klar nachvollzogen werden. Die flächenaufgelöste Darstellung der Diffusionswege der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen erlaubt wichtige Rückschlüsse auf die Verkapselung selbst bzw. das untersuchte Verkapselungsverfahren.

Im Hinblick auf die Testresultate, wurde gefunden, daß ein erfindungsgemäßes Mehrschichtelement bzw. ein Testmodul mit einer guten Laminierung nach etwa 5 Tagen geringfügige Verfärbungen ausschließlich am Rand des Elementes bzw. Moduls aufweist. Dies kann als eindeutige Nachweis für eine gute Laminierung bzw. ein geeignetes Verkapselungsverfahren angesehen werden. Werden hingegen Verfärbungen entlang der Busbars bzw. Kontaktbändchen oder an etwaigen Haarrissen gefunden, ist die Laminierung als weniger geeignet anzusehen. Das entsprechende Verkapselungsverfahren bietet somit keinen absoluten Feuchtigkeitsschutz für die zu laminierenden Dünnschicht-Bauelemente bzw. Solarmodule.

Nachfolgend ist beispielhaft die Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrschichtelementes Testmoduls beschrieben. Das nachfolgende Beispiel 1 ist jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen, sondern dienen der Veranschaulichung.

Beispiel 1 Herstellung eines Feuchteindikators

Auf ein Floatglassubstrat (100 × 100 × 2 mm) wurde eine metallisch glänzende Schicht aus 700 nm Molybdän abgeschieden. Nachfolgend wurden Kontaktbändchen aus verzinntem Kupfer, auch Busbars genannt, mit Ultraschall an den äußeren gegenüberliegenden Rändern des Substrats aufgelötet. Unter Verwendung eines Kupfer-Natriumselenit- Targets wurde nachfolgend eine Natrium-haltige Indikatorschicht durch Sputtern gleichmäßig auf dem Molybdän abgeschieden. Die resultierte Schicht war in Abwesenheit von Feuchtigkeit absolut transparent. Die darunterliegende metallisch glänzende Molybdänschicht war demzufolge sichtbar. Im Anschluß an die Aufbringung der Indikatorschicht wurde das Schichtpaket unter Feuchteausschluß mit einer Gegenscheibe laminiert.

Damp-Heat-Test

Das gemäß Beispiel 1 hergestellte Testmodul wurde einem üblichen Damp-Heat-Test unterzogen. Hierzu wurde das verkapselte Modul einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% bei einer Temperatur von 85°C ausgesetzt. Nach 5 Tagen konnten bereits schwache Verfärbungen der Indikatorschicht festgestellt werden. Nach 10 Tagen Damp- Heat-Test waren die entsprechenden Verfärbungen schon deutlich in der einlaminierten Schicht zu erkennen. Bei den mit unterschiedlichen Laminierungen versehenen Testmodulen wurden je nach Güte der Verkapselung bzw. Laminierung Verfärbungen ausschließlich am Rand oder aber entlang der Busbars oder an Haarrissen festgestellt. Aussagekräftige Ergebnisse zur Qualität der Laminierung bzw. zu den Diffusionswegen der Feuchte konnten bereits nach wenigen Tagen erhalten werden.

Claims (16)

1. Mehrschichtelement zur Verwendung als Feuchteindikator, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Molybdän-haltige Schicht, eine Natrium-haltige Indikatorschicht und ein Trägersubstrat umfaßt.

2. Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Molybdän-haltige Schicht zwischen Trägersubstrat und Natrium-haltiger Indikatorschicht befindet.

3. Element gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Natrium-haltige Indikatorschicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 100 nm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 50 nm und besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 40 nm aufweist.

4. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Natrium-haltige Indikatorschicht wenigstens 50 ng/cm², vorzugsweise wenigstens 100 ng/cm², besonders bevorzugt wenigstens 300 ng/cm² und insbesondere bevorzugt zwischen 300 und 500 ng/cm² Natrium enthält.

5. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Natrium in der Natrium-haltigen Indikatorschicht im wesentlichen homogen verteilt ist.

6. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Natrium-haltige Indikatorschicht in Abwesenheit von Feuchtigkeit im wesentlichen transparent ist.

7. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdän-haltige Schicht eine Dicke im Bereich von 100 bis 2000 nm, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 1000 nm und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 700 nm aufweist.

8. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat eine glatte oder strukturierte Oberfläche, vorzugsweise ein Glassubstrat, besonders bevorzugt eine Floatglasplatte, und/oder ein Minimodul ist.

9. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Element Kontaktbändchen aufweist, welche vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden des Elements, vorzugsweise parallel zu den Kanten des Elements angebracht sind.

10. Element gemäß Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbändchen aus verzinntem Kupfer oder Aluminium bestehen.

11. Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaß:

• a) Abscheiden der Molybdän-haltigen Schicht auf dem Trägersubstrat, vorzugsweise durch PVD-Abscheidung;
• b) gegebenenfalls Anbringen von Kontaktbändchen, vorzugsweise durch Anlöten oder Anschweißen; und
• c) Abscheiden der Natrium-haltigen Indikatorschicht auf der Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise durch PVD- Abscheidung.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Natrium-haltige Indikatorschicht durch Sputtern eines Kupfer-haltigen Natriumselenit-Targets, vorzugsweise durch Sputtern eines Targets, welches aus Kupferpulver und 10 at% Na₂SeO₃ herstellbar ist, abgeschieden wird.

13. Verwendung des Mehrschichtelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Nachweis von Feuchtigkeit, vorzugsweise zum Nachweis von bei Laminierung des Elements eingetragener und/oder nach der Laminierung eindringender Feuchte.

14. Verwendung des Mehrschichtelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung und/oder Verfolgung der Feuchtigkeitspfade in einem laminierten Element.

15. Testmodul zum Nachweis von Feuchtigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul ein Mehrschichtelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und eine auf Feuchtigkeit zu untersuchende Laminierung aufweist.

16. Testmodul zur Verwendung im Damp-Heat-Test, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul ein Mehrschichtelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, eine zu untersuchende Laminatschicht, welche auf die Natrium-haltige Indikatorschicht auflaminiert ist, und gegebenenfalls ein über der Laminatschicht befindliches abschließendes Trägersubstrat, vorzugsweise ein Glassubstrat aufweist.