DE102005025123B4

DE102005025123B4 - Verfahren und Einrichtung zur nasschemischen Behandlung von großflächigen Substraten, insbesondere zur Herstellung von Solarzellen

Info

Publication number: DE102005025123B4
Application number: DE102005025123A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dr. Meyer; Wolfgang Dr. Eisele; Ulfert RÜHLE
Original assignee: SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Current assignee: SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: DE102005025123A1

Abstract

Verfahren zur nasschemischen Behandlung von großflächigen Substraten, insbesondere zur Herstellung von Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat liegend in eine aus Unterteil und Oberteil bestehende Prozesszelle eingebracht wird, wobei der Rand des Oberteils über dem Rand des Substrats zu liegen kommt, Unterteil und Oberteil miteinander verspannt werden, anschließend durch eine von außen manipulierbare flexible Dichtung eine Kraft auf den Rand des Substrats ausgeübt wird, so dass der Innenraum der Prozesszelle nach außen abgedichtet wird, die Prozesszelle durch verschließbare Öffnungen mit einer entsprechenden Prozesslösung befüllt wird und das Substrat für eine erforderliche Zeit der Prozesslösung ausgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur nasschemischen Behandlung von großflächigen Substraten, insbesondere zur Herstellung von Solarzellen.
Zur Herstellung von Solarzellen werden großflächige Glassubstrate mit verschiedenen Metall- und Halbleiterschichten sowie Pufferschichten beschichtet, was durch Bedampfen, Aufsputtern, durch galvanische Abscheidung oder chemische Badabscheidung geschehen kann. Verschiedentlich sind Oberflächenschichten, die zum Beispiel durch eine chemische Reaktion während einer Wärmebehandlung erst entstehen, wieder zu entfernen, was bevorzugt durch nasschemisches Ätzen geschieht.
So erfolgt beispielsweise bei der Herstellung von Dünnschicht-Chalkopyrit-Solarzellen (Cu(InxGa_1-x)(Se_y, S_1-y) Absorberschichten mit 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1) ein Ätzschritt zur Entfernung von überschüssigem Kupfersulfid, wozu üblicherweise ein Laborgefäß mit oder ohne Beheizung benutzt wird. Bevorzugt wird der Ätzschritt in einer cyanidischen Lösung durchgeführt. Für den Ätzschritt werden Chemikalien, zum Beispiel KCN, mit Wasser gemischt. Die zum Ätzen verwendeten Chemikalien sind hochtoxisch. Die Substrate werden liegend oder in einem Probenhalter hängend in die Ätzlösung eingebracht und für eine gewisse Zeit der Ätzlösung ausgesetzt. Dabei wird die Lösung manuell, durch Magnetrührer oder per Ultraschall bewegt.
Anschließend werden die Substrate herausgenommen, abgespült und getrocknet. Dieses Vorgehen wird beispielsweise beschrieben von Weber et al., Journal of the Electrochemical Society 149 (1) G77–G84 (2002).
Für derartige Solarzellen aus Verbindungshalbleitern ist auch eine nasschemische Abscheidung von Pufferschichten (ZdS, ZnS, ZnSe, In2Se3, PbSe) üblich. Die Abscheidung findet in einem mit Wasser umspülten Abscheidegefäß statt. Das Wasserbad wird bevorzugt von unten mittels einer Heizplatte geheizt, siehe beispielsweise Kaur et al., Growth Kinetics and Polymorphism of Chemivally Deposited CdS Films, Jounal of the Electrochemical Society, 127 (4) p. 943 (1980) oder Lincot et al., Chemical Deposition of Chalcogenide Thin Films from Solution, Advances in Chemical Science and Engineering, 1999 oder auch Dona et al., Journal of the Electrochemical Society, 1339 p. 2810 (1992).
Zur nasschemischen Abscheidung werden üblicherweise zwei Prozesslösungen verwendet, die vor der Abscheidung angesetzt werden. Die erste Prozesslösung enthält eine Cadmium-, Zink-, Indium- oder Bleiverbindung, zum Beispiel CdAc, CdSO4, ZnSO4, InCl3, In2(SO4)3, PbAc, Ammoniaklösung oder andere Verbindungen zur Komplexierung des Metallions und Wasser in einem bestimmten Mischungsverhältnis. Die zweite Prozesslösung enthält eine Schwefelverbindung, zum Beispiel Thioacetamid, Thioharnstoff, oder eine Selenverbindung und Wasser. Beide Prozesslösungen werden im Abscheidegefäß gemischt, das sich entweder außerhalb oder schon innerhalb eines Wasserbades befindet. Zusätzlich kann Wasser dazugegeben werden. Das Wasserbad, das das Abscheidegefäß umgibt, befindet sich auf Prozesstemperatur (20° < T < 100°C) oder wird auf Prozesstemperatur geheizt. Die Prozesslösungen inklusive dem Wasser im Abscheidegefäß können beim Einbringen der Substrate auf Prozesstemperatur geheizt werden oder beim Einbringen der Substrate schon auf Prozesstemperatur sein oder von einer erhöhten Temperatur auf Prozesstemperatur geheizt werden. Die Substrate werden von oben vertikal eingebracht und die Abscheidung der Pufferschicht beginnt. Nach Ablauf der Prozesszeit werden die Substrate aus der Lösung gezogen, gespült und getrocknet.
Nachteilig ist die ungewünschte Beschichtung der Rückseite des Substrates. Eine beschichtete Rückseite des Substrates ist störend und muss wieder vom Substrat entfernt werden. Nachteilig ist außerdem der hohe Einsatz von Chemikalien und Lösungsmittelmenge im Verhältnis zur Substratoberfläche und abgeschiedener Schicht und der dadurch bedingte hohe Energieverbrauch zum Heizen der Prozesslösungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen eine großflächige nasschemische Behandlung eines Substrates mit einem sparsamen Einsatz von chemischen Lösungen und Chemikalien möglich ist und eine Beschädigung des Substrates sowie die Beschichtung der Substratrückseite vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach erfolgt die nasschemische Behandlung, indem das Substrat horizontal liegend in eine Prozesszelle mit Ober- und Unterteil eingebracht wird, wobei der Rand des Oberteils über dem Rand des Substrats zu liegen kommt. Ober- und Unterteil der Prozesszelle werden miteinander verspannt. Nach dem Verspannen von Oberteil und Unterteil wird durch Manipulieren einer flexiblen Dichtung eine von der Dichtung ausgehende Kraft auf den Rand des Substrates ausgeübt, so dass das Substrat fixiert und der Innenraum der Prozesszelle nach außen abgedichtet wird.
Die flexible Dichtung ist an der Unterseite des Oberteils der Prozesszelle angebracht.
Das Unterteil der Prozesszelle kann lediglich aus einem Rahmen bestehen. Das Substrat schließt dann die Prozesszelle nach unten gegen die Umgebung ab.
Am Oberteil der Prozesszelle befinden sich Öffnungen, die ein Zudosieren der Prozesslösungen sowie ein Ausgießen der gebrauchten Lösung gestatten. Diese Öffnungen werden mit selbstabschließenden Klappen verschlossen, die nur zum Zudosieren oder Ausgießen der Prozesslösungen geöffnet werden. Die Prozesszelle ist so gegen die Umgebung abgeschlossen, so dass keine chemische Lösung oder Dämpfe ungewollt nach außen treten können.
Durch die Liegendprozessierung lässt sich eine Rückseitenbeschichtung leicht verhindern.
Die Prozesslösungen in der Prozesszelle werden nach dem Zudosieren durch eine Wipp- oder Taumelbewegung der Prozesszelle über das Substrat geführt, um eine gleichmäßige Verteilung der Lösungen über die Substratoberfläche zu gewährleisten. Durch die Liegendprozessierung in Verbindung mit der Wipp- oder Taumelbewegung kann die Lösungsmenge bei dem Prozess auf ein Minimum reduziert werden, da nicht die gesamte Substratoberfläche gleichzeitig der Lösung ausgesetzt sein muss. Dadurch wird der Einsatz von Chemikalien effizienter und die Abwasserströme geringer. Ebenso wird der Energieverbrauch zum Aufheizen der Lösung mit abnehmender Lösungsmenge verringert. Ein Aufheizen geschieht zweckmäßig in einem Wasserbad, in das die gesamte Prozesszelle getaucht wird. Das Wasserniveau steht bis ca. 2 cm über der Oberkante des Glassubstrats.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 schematisch eine Prozesszelle mit einem zu behandelnden Substrat im Querschnitt und
2 schematisch die Prozesszelle in einer Draufsicht.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Prozesszelle mit einem Unterteil 1 und einem Oberteil 2.
Das Unterteil 1 ist ein Rahmen mit etwa den Dimensionen 1650 mm × 650 mm und einer Höhe von 60 mm. An dem Unterteil 1 befestigt sind mehrere Bolzen zur Ablage des Rahmens in verschiedenen Bearbeitungsstationen sowie zur Aufnahme der Prozesszelle durch eine Hubeinrichtung (nicht gezeigt). Das Oberteil 2 besitzt etwa eine Höhe von 100 mm.
Im Oberteil 2 befinden sich selbstschließende Klappen (nicht gezeigt), die mit Federn zurückgestellt werden. Diese Klappen verschließen Eindosieröffnungen 3, in die Düsen zum Eindosieren der Prozesslösungen eingefahren werden können.
Es existiert darüber hinaus ein Deckel 4, der sich über die gesamte Breite der Zelle erstreckt und zum Entleeren der Prozesschemikalien dient. In der Zeit, in der keine Düsen in die Prozesszelle eingeführt sind oder der Deckel 4 zum Ausgießen der Flüssigkeiten geöffnet ist, schließt die Prozesszelle luftdicht, so dass eine Abgabe von Dämpfen vermieden wird.
Im Oberteil 2 der Prozesszelle befinden sich außerdem drei Fenster 5, die dazu dienen, den Prozessverlauf zu beobachten.
Am unteren Rand des Oberteils 2 der Prozesszelle befindet sich umlaufend eine flexible-Dichtung 6. Sie ist nach dem Einbringen eines Substrates 7 in die Prozesszelle und dem Verspannen von Oberteil 2 und Unterteil 1 von außen manipulierbar, so dass sie von oben auf das Substrat 7 drückt, so dass das Substrat 7 auf dem Unterteil 1 der Prozesszelle fixiert wird und die Dichtung 6 den Innenraum der Prozesszelle nach außen verschließt. Bei dem Substrat 7 handelt es sich hier um eine Glasplatte, die vorher mit einem Verbindungshalbleiter beschichtet wurde, der nasschemisch zu behandeln ist. Beim Herausnehmen des Substrates 7 wird die Dichtung 6 vom Substrat 7 abgehoben, wodurch zwischen Oberteil 2 und Unterteil 1 der Prozesszelle ein Spalt entsteht, so dass sich das Substrat 7 leicht entnehmen lässt.
Der Transport der Prozesszelle mit dem Substrat 7 lässt sich in einer Anlage einfach durchführen, indem die Prozesszelle mittels einer verfahrbaren Hubeinrichtung von einer Station zur nächsten gefahren wird.

1: Unterteil
2: Oberteil
3: Eindosieröffnung
4: Deckel
5: Fenster
6: Dichtung
7: Substrat

Claims

Verfahren zur nasschemischen Behandlung von großflächigen Substraten, insbesondere zur Herstellung von Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat liegend in eine aus Unterteil und Oberteil bestehende Prozesszelle eingebracht wird, wobei der Rand des Oberteils über dem Rand des Substrats zu liegen kommt, Unterteil und Oberteil miteinander verspannt werden, anschließend durch eine von außen manipulierbare flexible Dichtung eine Kraft auf den Rand des Substrats ausgeübt wird, so dass der Innenraum der Prozesszelle nach außen abgedichtet wird, die Prozesszelle durch verschließbare Öffnungen mit einer entsprechenden Prozesslösung befüllt wird und das Substrat für eine erforderliche Zeit der Prozesslösung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszelle nach dem Befüllen mit der Prozesslösung einer Taumel- oder Wippbewegung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesslösung vor dem Entnehmen des Substrates durch einen Deckel, der sich über die gesamte Breite der Zelle erstreckt, entleert wird.
Einrichtung zur nasschemischen Behandlung von großflächigen Substraten (7), dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine aus einem Unterteil (1) und einem Oberteil (2) bestehende Prozesszelle ausgebildet ist, wobei in das Unterteil (1) ein Substrat (7) einzulegen ist, und eine umlaufende flexible, von außen manipulierbare Dichtung (6) an der Unterseite des Oberteils (2) angebracht ist und das Oberteil (2) an seiner Oberseite verschließbare Öffnungen (3, 4) zum Einfüllen und Ablassen von chemischen Lösungen aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (1) einen nach unten offenen Rahmen bildet.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (3, 4) durch federbelastete Klappen selbstverschließbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (2) an seiner Oberseite mindestens ein Sichtfenster (5) aufweist.