DE102007036715A1

DE102007036715A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung flexibler Dünnschichtsolarzellen

Info

Publication number: DE102007036715A1
Application number: DE102007036715A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Otte; Susann Dr. Albrecht; Hans-Joachim Leder; Oleksandr Rokhman; Helmut Dr. Herrnberger
Original assignee: Solarion AG
Current assignee: OC3 AG, DE
Priority date: 2007-08-05
Filing date: 2007-08-05
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-06
Also published as: DE102007036715B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technisch vorteilhaftes Verfahren anzugeben, um bei der Herstellung von flexiblen Dünnschichtsolarzellen eine CdS-Schicht aufzubringen. Die Aufgabe wird gelöst, indem eine vorerwärmte Lösung aus Cd<SUP>++tet wird, das mit einem Neigungswinkel zwischen 0 und 45 Grad am Vorratsbehälter vorbeigeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von Pufferschichten bei der Herstellung flexibler Dünnschichtsolarzellen.
Es ist bereits bekannt, Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Dazu werden einmal starre Grundkörper mit den an sich bekannten Schichten Rückkontakt aus Molybdän (Metall-Elektrode), eine polykristalline Cu(In,Ga)Se₂-Absorberschicht (CIGS), CdS als Pufferschicht und ZnO als transparente Frontelektrode versehen, wobei diese in unterschiedlicher Weise aufgebracht werden. Die Schichten haften auf dem Grundkörper und sind an der Oberseite noch einmal mit einer Schutzschicht versehen. Als Beispiel kann die JP 04235938 der Canon Inc. dienen, ferner US 4,888,061 . Der Schichtenaufbau kann in seiner jeweiligen Zusammensetzung variieren. Aufgebracht werden die Schichten nacheinander. Für das Aufbringen der CdS-Schicht ist u. a. auch das Tauchverfahren bekannt, aber auch andere Formen des Aufbringens sind üblich.
Zum zweiten können anstelle starrer Grundkörper auch Folien beschichtet werden, um flexible Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Deren Aufbau und Haftung auf einem Grundkörper sind in DE 100 48 034 , DE 201 03 069 , DE 103 05 938 , DE 102 59 472 (m. w. N.), DE 199 21 515 beschrieben. Das mit CdS zu beschichtende flexible Material (Folie – Rückkontakt aus Molybdän – CIGS) wird im folgenden als Substrat bezeichnet. Die Beschichtung der Substrate mit CdS erfolgt bisher im wesentlichen im Tauchverfahren. Bekannt ist das Aufbringen von CdS auch durch Sprühen über ein Düsensystem.
Die Erfindung befasst sich mit dem Aufbringen der CdS-Schicht, so dass zum Aufbringen der übrigen Schichten keine weiteren Aussagen getroffen werden.
Die bekannten Verfahren zum Aufbringen der CdS-Schicht haben einige Nachteile. Diese Pufferschicht wird auf die bereits vorhandenen Substrat-Schichten üblicherweise nasschemisch aufgebracht. Im Tauchverfahren wird das Substrat in eine Lösung von Cd⁺ ⁺, Thioharnstoff und NH₃ bei pH = 12 und 60°C für eine Zeit von ca. 10 min eingegeben, wobei sich eine CdS-Schicht abscheidet. Insgesamt ist dieser Pro zess kostenintensiv, inklusive der schwierigen aber notwendigen umweltgerechten Entsorgung der Restflüssigkeit.
Das Aufbringen von CdS durch Düsensysteme ist nicht gut handhabbar, weil die Düsen durch den CdS-Niederschlag zur Verstopfung neigen.
Der Tauchprozess dauert lange, ist bezüglich der zu beschichtenden Substrate an der Grenze seiner physikalisch und chemischen Möglichkeiten. Der Verbrauch an CdS ist erheblich, nur die Hälfte davon wird genutzt, da die CdS-Schicht nur auf einer Seite der Dünnschichtsolarzelle notwendig ist. Die Entsorgung ist kostenintensiv und schwierig, weil Cd⁺⁺ umweltschädlich gilt. Der Tauchprozess, auch als batch-Verfahren bezeichnet, ist ein diskontinuierlicher Ablauf, der in der Massenproduktion nicht beliebt ist. Der wesentliche Nachteil ist zum Einen der hohe Verbrauch an Reaktionslösung und damit verbunden die hohen Produktionskosten und zum Anderen die Durchführung als diskontinuierlicher Prozess der eine industrielle Umsetzung einer preiswerten Rolle-zu-Rolle Fertigung nicht ermöglicht.
Die Düsensysteme verstopfen, weil sich das CdS ab 60°C intensiv abzuscheiden beginnt. Diese Temperatur muss mindestens erreicht sein, wenn die Reaktionslösung zur Oberfläche des Substrates gelangt. Der wesentliche Nachteil ist dabei, dass die für eine industrielle Fertigung notwendige Reproduzierbarkeit der Bereitstellung der Reaktionslösung nicht gewährleistet wird.
Die Erfindung hat das Ziel, die CdS-Schicht innerhalb des bereits bekannten Schichtaufbaus: Folie – Rückkontakt aus Molybdän (Metall-Elektrode) – CIGS-Absorberschicht mit Chalkopyritstruktur – Halbleiterschicht aus CdS(Pufferschicht) – Frontelektrodenschicht (Vorderseite, TCO) durch eine neuartige und technisch effektivere Weise aufzubringen. Dieser Prozess soll preiswerter und reproduzierbarer sein und eine Darstellung als Rolle-zu-Rolle Fertigung ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technisch und ökonomisch vorteilhaftes Verfahren anzugeben, mit dessen Ablauf auf dem vorgefertigten Substrat mit den bereits aufgetragenen Schichten Metall-Elektrodenschicht (Rückkontakt) und Absorberschicht (CIGS) (Substrat) nunmehr die CdS-Schicht aufgetragen wird. Mit dem Verfahren soll kostengünstiger durch Verminderung der Reaktionslösung gearbeitet werden. Dadurch wird Einfluss auf die Umweltverträglichkeit genommen. Weiterhin werden technische Probleme im Zusammenhang mit der CdS-Bildung reguliert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einen Vorratsbehälter ein Reaktionsgemisch aus einem löslichen Cadmiumsalz wie zum Beispiel Cd(ac)₂ oder CdSO₄, Thioharnstoff und NH₃-Lösung bei Raumtemperatur auf einen pH-Wert zwischen 11 und 13 eingestellt wird. Dieses Gemisch wird durch einen Überlauf in beliebiger Form auf ein vorbeigeführtes Substrat aufgebracht. Als Reaktionslösung oder -gemisch wird die fertige Lösung zur Bildung von CdS (oder jede andere) bezeichnet, die durch den Überlauf auf das Substrat gebracht wird. Erfindungsgemäß kann das Gemisch im Vorratsbehälter auch auf eine Temperatur zwischen Raumtempera-tur (25°C) und 50–70°C aufgeheizt werden. Das Substrat ist auf ca. 50–70°C erwärmt, so dass an der Kontaktstelle die nasschemische Abscheidung von CdS stattfindet. Erfindungsgemäß ist die zu benetzende Substratfläche auf einer Ebene geneigt, so dass das Reaktionsgemisch darüber läuft und überschüssige Lösung abtropft oder abläuft. Es ist möglich, aber nicht unabdingbar, das Reaktionsgemisch über eine schräg gestellte, temperierbare Fläche (Rampe) auf das Substrat zu führen. Die Erwärmung des Substrats zum Erreichen der Reaktionstemperatur kann durch einen Wärmespender erfolgen, aber auch auf jede andere sachgerechte Weise. Eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsgemisches auf dem Substrat erfolgt zum Beispiel durch Luftrakel, Walzen beziehungsweise andere Formen auf dem Substrat oder auf der vorgeschalteten schräg gestellten Rampe. Die Breite des vorbeigeführten Substrats beträgt 20 bis 80 cm, Abweichungen sind in beide Richtungen möglich. Aus Sparsamkeitsgründen hat das Substrat einen Vorlauf und einen Nachlauf von etwa 6 m, ihre Länge ist variabel und kann bis zu 1000 m betragen. Von überschüssiger Reaktionslösung wird die Oberfläche durch einen Spülprozess befreit, ehe das mit CdS beschichtete Substrat in an sich bekannter Weise getrocknet und aufgewickelt wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispiels in Form einer Abbildung näher erläutert werden.
Ein Vorratsbehälter 1 enthält das Reaktionsgemisch. Er weist einen Überlauf auf. Unter diesem ist eine schräg gestellte, winkelverstellbare Rampe 2 angeordnet, wel che temperierbar ist. Diese leitet das Reaktionsgemisch 3 aus dem Vorratsbehälter 1 auf das auf einer geneigten Ebene 4 befindliche Substrat 5. Rollen 6 sind derart angeordnet, dass sie einem Substrat 5 Richtung geben können, ohne diese zu knicken und das Substrat 5 über eine Ebene 4 führen. Hier erfolgt die Beschichtung mit CdS. An sich bekannte Anordnungen ermöglichen das Abziehen überschüssiger Reaktionslösung.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen in der Kontinuität des Prozesses, der Reproduzierbarkeit des Prozesses, der sparsamen Verwendung des Umweltgiftes Cadmium und der leicht möglichen Anpassung des Abscheidungsprozesses durch die Neigung der Reaktionsfläche allein und durch Regeln der Fließgeschwindigkeit durch Neigung der Ebene sowie durch Regeln der Substratgeschwindigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 04235938 [0002]
- US 4888061 [0002]
- DE 10048034 [0003]
- DE 20103069 [0003]
- DE 10305938 [0003]
- DE 10259472 [0003]
- DE 19921515 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Aufbringen der Schichten Metallelektrode – CIGS-Absorberschicht – CdS-Pufferschicht – Frontkontakt auf einer Folie, dadurch gekennzeichnet, dass die CdS-Schicht dergestalt aufgebracht wird, dass aus einem Vorratsbehälter eine Reaktionslösung aus Cd⁺ ⁺, Thioharnstoff und NH₃ bei einem pH-Wert zwischen 11 und 13 und einer Temperatur zwischen 25°C und 70°C auf ein Substrat geführt wird, welches mit einem Neigungswinkel von 0 Grad bis höchstens 45 Grad am Vorratsbehälter vorbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Substrat enthaltene Folie aus Polyimid besteht, die Fließgeschwindigkeit der Reaktionslösung ≥ 0,5 cm/min beträgt, die Neigung der Substratfläche zur Horizontalen ≥ 0 Grad beträgt, die Erwärmung des Substrats durch einen Wärmespender bewirkt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch über eine geneigte Rampe aus dem Vorratsbehälter auf das Substrat aufgebracht werden kann.
Vorrichtung zur Herstellung flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Aufbringen der Schichten Metallelektrode – CIGS-Absorberschicht – CdS-Pufferschicht – Frontkontakt auf einer Folie, dadurch gekennzeichnet, dass in einem befüllbaren, beheizbaren, flüssigkeitsdichten, mit einem breiten Überlauf versehenen Vorratsbehälter, der eine Reaktionslösung aus Cd⁺ ⁺, Thioharnstoff und NH₃ bei einem pH-Wert zwischen 11 und 13 und einer Temperatur zwischen 25°C und 70°C enthalten kann, dem Vorratsbehälter eine winkelverstellbare Rampe zugeordnet ist, welche einen Neigungswinkel von 0 Grad bis höchstens 45 Grad zum Vorratsbehälter bildet, dieser Rampe eine winkelverstellbare Ebene zugeordnet ist, die ihrerseits zu dieser einen Winkel von 0 bis 45 Grad bildet und die über ein Rollensystem eine mit Metallelektrode – CIGS-Absorberschicht beschichtete Folie dergestalt transportieren kann, dass diese in einer Breite von 20 cm bis 80 cm auf der winkelverstellbaren Ebene aufliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollensystem aus mindestens 2 Rollen besteht.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Überlauf des Vorratsbehälters ein Verteiler wie eine Walze oder ein Luftrakel befindet, welcher die überlaufende Reaktionslösung breitflächig auf das Substrat verteilt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespender die Folie mit dem Substrat auf 50 bis 70 Grad C erwärmt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spülvorrichtung zum Entfernen von überschüssigem CdS aufweist.