DE102009025198A1

DE102009025198A1 - Verfahren zur Herstellung von CIGS-Solarzellen

Info

Publication number: DE102009025198A1
Application number: DE200910025198
Authority: DE
Inventors: Christian Scheit; Marco Dr. Luniak
Original assignee: Solarion AG Photovotaik
Current assignee: OC3 AG, DE
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen verbesserten Wirkungsgrades. Es ist die Aufgabe gestellt, auf die transparente Oberfläche eine metallisch leitende Schicht aufzubringen. Die Aufgabe wird gelöst durch Aufbringen von suspendierten Metallpartikeln unter einem definierten Druck- und Temperaturregime.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von CIGS-Solarzellen mit stark verbesserten Eigenschaften durch besondere Ausgestaltung des Herstellungsprozesses.
Es ist bereits bekannt, Dünnschichtsolarzellen unterschiedlichen Aufbaus herzustellen. Sie können auf starre Träger, beispielsweise Glas, aber auch auf Folien, also dünne, flexible Träger aus Metall oder Polymer, abgeschieden werden. Der prinzipielle Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle ist 1 anhand einer Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid(CIGS)-Dünn-schichtsolarzelle auf Folienbasis dargestellt und umfasst den Träger (1), der in diesem Fall eine Folie ist, den metallischen Rückkontakt (2), der im Beispiel im Wesentlichen eine Molybdänschicht umfasst, die Absorberschicht aus zum Beispiel CIGS (3), eine Pufferschicht aus zum Beispiel Cadmiumsulfid (4), einen Tunnelkontakt aus zum Beispiel intrinsischem Zinkoxid (5), die transparente Vorderseitenelektrode (6), die aus einem transparenten oxidischen Leiter wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO – indium tin oxide) oder dotiertem Zinkoxid besteht. Die Absorberschicht (3) kann aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder verwandten Kupfer-Chalkopyrit-Materialien bestehen. Vorteilhaft zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen ist die kontinuierliche Prozessführung bei der Schichtabscheidung.
Es ist weiterhin bekannt, auf die Oberfläche einer transparenten Schicht metallische, elektrisch leitfähige Kontaktfinger und Sammelkontakte aufzubringen. Diese können beispielsweise durch das Verdampfen eines Metalls und der Zuhilfenahme von Schattenmasken erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht im Aufbringen elektrisch leitfähiger Pasten mittels Dispenser oder im Siebdruckverfahren. Elektrisch leitfähige Pasten bestehen dabei hauptsächlich aus einer Polymermatrix und darin enthaltenen metallischen Partikeln und werden oft als Polymerpasten bezeichnet. Diese Polymerpasten werden in der Regel nach dem Aufbringen bei zumeist 100 bis 180 Grad getrocknet. In diesem Trocknungsprozess erreichen diese Pasten dann ihre elektrische Leitfähigkeit, wobei diese Leitfähigkeit im Vergleich zu den Leitfähigkeiten gewöhnlicher CERMET-Paste oder Dickschichtpasten deutlich niedriger ist.
Sinterpasten müssen in der Regel bei etwa 800°C gesintert werden, damit diese ihre elektrische Leitfähigkeiten entfalten. Aufgrund dieser hohen Temperaturen können Sinterpasten nicht zur Herstellung der metallischen Kontaktfinger und Sammelkontakte von Dünnschichtsolarzellen genutzt werden. Aus diesem Grund verwendet man Polymerpasten in der Regel auch für die Darstellung von metallischen Kontaktfingern und Sammelkontakten auf der Oberfläche (transparente Forderseitenelektrode (6)) von flexiblen Dünnschichtsolarzellen.
Die in der Regel schlechteren Leitfähigkeiten der gefüllten Polymerpasten führen dann zu einer mit merklichen Verlusten behafteten Abführung der Ladungsträger an den Kontaktfingern und Sammelkontakten der Dünnschichtsolarzellen und somit zu einem verminderten Wirkungsgrad dieser Dünnschichtsolarzellen.
Die Leitfähigkeit aufgetragener Leitpasten kann durch eine Verlängerung des Trocknungsprozesses verbessert werden, wobei die Verbesserung der Leitfähigkeit mit zunehmender Trocknungszeit immer langsamer abläuft. Der gesamte Prozess wird dann aufgrund der längeren Prozesszeiten und des zusätzlichen Energieverbrauchs unwirtschaftlich.
Die bekannten Verfahren zum Aufbringen einer metallisch leitenden Schicht auf die transparente Oberfläche einer Dünnschichtsolarzelle haben den Nachteil, dass die Steigerung des Wirkungsgrades der Dünnschichtsolarzellen bezüglich der Energiewandlung nicht ausgeschöpft wird. Zwar bringt das Aufdrucken der leitfähigen Pasten eine deutliche Leistungssteigerung, sodass der Druckprozess an sich schon gerechtfertigt ist. Aufgrund der vergleichsweise hohen spezifischen elektrischen Widerstände dieser Pasten wird das Potenzial der Dünnschichtsolarzellen aber nicht ausgeschöpft.
Als weitere Ursache der mit Verlusten behafteten Abführung der Ladungsträger an den Kontaktfingern kann darüber hinaus ein unzureichender Kontakt der aufgebrachten metallischen Schicht mit der darunter liegenden Schicht genannt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen zu steigern und dazu in deren Herstellungsprozess einzugreifen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass das Aufbringen einer äußeren Schicht, bestehend aus einer Matrix und aus metallischen Partikeln, unter einem definierten Anpressdruck erfolgt.
Es wurde überraschend gefunden, dass trotz des komplexen Aufbaus einer Dünnschichtsolarzelle aus Substrat und üblicherweise sechs Schichten, sich eine obere Schicht wie in Anspruch 1 beschrieben, durch Auftragen, Trocknen und Anpressen mit der Dünnschichtsolarzelle derart innig verbinden lässt, dass sich dadurch eine ganz wesentliche Effektivitätssteigerung der Dünnschichtsolarzelle erzielen lässt. Die Vorteile lassen sich ausbauen, indem beim Anpressen ein bestimmtes Temperaturregime eingehalten wird, wie es in den Beispielen 1 bis 3 vorgestellt ist.
Es ist erstaunlich, dass die vorgestellte Lösung bisher nicht erkannt worden ist. Offensichtlich besteht ein Vorurteil der Fachwelt dergestalt, dass durch ein Anpressen der obersten Schicht in einem der letzten Schritte des Verfahrens zur Herstellung von flexiblen Dünnschichtsolarzellen die innere Struktur der Dünnschichtsolarzelle beschädigt werden würde und deren Effektivität der Energiewandlung irreparabel beeinträchtigt werden könnte.
Der Verfahrensablauf gestaltet sich nach Anspruch 1 dergestalt, dass zunächst in an sich bekannter Weise, eine Dünnschichtsolarzelle schichtweise aufgebaut wird. Auf die üblicherweise transparente Vorderseite wird eine Paste aus einer Matrix und metallisch leitenden Partikeln aufgebracht und getrocknet. Die Paste kann ein Epoxydharz sein oder ein anderes auspolymerisierendes Material, die metallischen Partikel können Ag, Cu, Al, Ni, Metall-beschichtete Kunststoffpartikel oder dergleichen sein.
In einem weiteren Prozessschritt wird die Paste auf die Dünnschichtsolarzelle gepresst. Der Anpressdruck beträgt zwischen 10 N/cm² bis 1000 N/cm². Er kann durch eine zum Beispiel Flachpresse oder beim Herstellen von Dünnschichtsolarzellen nach dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auch ein Walzenpaar erzeugt werden. Alle anderen technischen Möglichkeiten des Erzeugens eines definierten Anpressdruckes in dem bezeichneten Bereich sind möglich und werden beansprucht.
Die Temperatur beim Anpressen der in Rede stehenden Schicht liegt zwischen 50 Grad Celsius und 450 Grad Celsius, bevorzugt bei der Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials der elektrisch leitfähigen Polymerpaste (180 Grad Celsius). Die Temperatur wird durch Temperieren der Schichtmasse und/oder der Dünnschichtsolarzelle oder beider Partner erzeugt und kann sowohl stabil gehalten als auch variiert werden. Temperiert werden nach Bedarf auch die Presswerkzeuge wie Flachpressen, Walzenpressen oder dergleichen.
Die Schichtdicke der aufgetragenen Paste beträgt zwischen 1 μm und 50 μm.
Nach dem erfindungsgemäßen Aufbringen der Schicht wird diese ausgehärtet, was in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung ohne weitere Einwirkung von außen erfolgt oder durch Verdunsten oder Verdampfen von Lösungsmitteln, in denen die bezeichneten Metallpartikel suspendiert gewesen sind und/oder durch ein Auspolymerisieren des Trägermaterials.
Die erfindungsgemäß hergestellte Schicht bewirkt eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Dünnschichtsolarzellen von zwischen 5 und 20%.
Der Anteil von Metallpartikeln in der aufzubringenden Paste beträgt bis zu 92%.
Das Beaufschlagen einer Dünnschichtsolarzelle mit einem definierten Druck unter vorgegebenen Temperaturbedingungen zum Zweck der Effektivitätssteigerung der Zelle nach Aufbringen einer Schicht, die im wesentlichen aus Metallpartikeln besteht, ist nicht auf den unmittelbaren Herstellungsprozess beschränkt. So können Dünnschichtsolarzellen, welche eine metallpartikelhaltige Schicht bisher nicht enthalten, durch Aufbringen einer solchen Schicht und deren Behandlung unter dem erfinderischen Druck- und Temperaturregime zu einer wesentlichen Effektivitätssteigerung geführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf andere Dünnschichtsolarzelltypen (z. B. CdTe oder a-Si) problemlos übertragbar.
Die Druckbeaufschlagung der Dünnschichtsolarzellen erfolgt in an sich bekannter Weise zum Beispiel durch einen Stempel, im Falle flexibler Dünnschichtsolarzellen können die Zellen durch Walzen geführt werden, welche gleichzeitig das Temperaturregime regeln. Gleichzeitig kann die Druckbeaufschlagung kurz nach dem Aufbringen der Schicht oder auch zu einem späteren Zeitpunkt oder auch in einem späteren Zyklus der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen erfolgen. Beispielsweise kann die Druckbeaufschlagung auch nach der Verschaltung der Dünnschichtsolarzellen oder während der Laminierung der verschalteten Dünnschichtsolarzellen erfolgen.
Für die flexiblen Dünnschichtsolarzellen werden als Folien solche aus Kunststoff wie Polyimid, aus Metall wie Edelstahl, Aluminium oder Kupfer, aus dünner Keramik, aus Glasfasertextil oder dergleichen eingesetzt.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Beispiel 1
Ein Verfahren zur Herstellung einer CIGS-Solarzelle läuft üblicherweise wie nachfolgend beschrieben ab (dabei sind a) bis f) hier nicht erfinderisch):

(a) ganzflächiges Abscheiden einer Molybdänschicht auf einer Polyimidfolie in bekannter Weise mittels DC-Sputtern.
(b) ganzflächiges Abscheiden der Absorberschicht (Cu(In, Ga)Se₂) mittels Vakuum-Koverdampfung der Elemente Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se).
(c) ganzflächiges Abscheiden einer Cadmiumsulfidschicht (CdS) im nasschemischen Bad.
(d) ganzflächiges Abscheiden einer intrinsischen Zinkoxidschicht (i-ZnO) mittels RF-Sputtern.
(e) ganzflächiges Abscheiden einer Aluminium-dotierten Zinkoxidschicht (ZnO:Al) über DC-Sputtern.
(f) Strukturieren mittels mechanischem Stenzel und Aufbringen von Kontaktfinger und Sammelkontakten über Bedrucken mit Polymerpaste mit darin enthaltenen elektrisch leitfähigen Partikeln im Siebdruckverfahren und anschließendem Trocknen der gedruckten Paste.

Eine derart hergestellt CIGS-Solarzelle wird erfindungsgemäß anschließend an f) einem definiertem Druck und einer definierten Temperatur bei einem vorgegebenem Zeitregime ausgesetzt. Dafür wird die Solarzelle zwischen zwei beheizbare, planparallele Metallplatten, welche aufeinander gefahren werden, gelegt und für eine definierte Zeit gepresst.
Der Anpressdruck beträgt 10 N/cm² bis 1000 N/cm², bevorzugt 150 N/cm².
Die Temperatur liegt während des Pressvorganges zwischen 50°C und 250°C bevorzugt bei 180°C.
Die Anpresszeit liegt zwischen 10 sec und 60 min, bevorzugt bei 10 min.
Die Dicke der Schicht liegt zwischen 3 μm und 50 μm, bevorzugt bei 20 μm.
Nach dem erfindungsgemäßen Aufbringen der Schicht wird diese ausgehärtet, und dann angepresst.
Weitere Untersuchungen ergeben folgende Erkenntnisse

zu (a): neben Polyimidfolie können auch andere temperaturstabile Polymerfolien, Metallfolien, Glassubstrate oder Verbundwerkstoffe (z. B. glasfaserverstärkten Textilien) als Substrate verwendet werden.
zu (b): neben Cu(In, Ga)Se₂ können als Absorberschicht auch die Verbindungen CuGaSe₂, CuInSe₂, CuGaS₂, CuInS₂, Cu(In, Ga)(S, Se)₂ verwendet werden.
zu (c): die CdS-Schicht kann durch alternative Puffer wie z. B. ZnS, ZnSe, In₂S₃, In₂Se₃, In(OH)_xS_y, ZnIn₂Se₄, ZnMgO etc. oder Kombinationen daraus ersetzt werden.
zu (e): ZnO:Al kann z. B. durch ZnO:Ga, ZnO:B oder ITO bzw. durch Kombinationen daraus ersetzt werden.
zu (f): die Kontaktfinger und Sammelkontakte können auch mittels Vakuumverdampfung eines Metalls (z. B. Ni und Al) und der Verwendung von Schattenmasken abgeschieden werden.

Beispiel 2:
Das unter Beispiel 1 genannte Verfahren lässt sich prinzipiell auf alle Solarzellen anwenden, deren Kontaktfinger und Sammelkontakte aus Metallpartikel-gefüllten Polymerpasten bestehen. Die Metallpartikel können dabei z. B. aus Ag, Cu, Al, Ni oder aber auch aus metallisch beschichteten Plastik- oder Glaspartikeln bestehen.
Beispiel 3:
Soll das im Beispiel 1 unter (g) genannte Verfahren in einem kontinuierlichen Prozess ausgeführt werden, so werden erfindungsgemäß zum Pressen beheizbare Walzen eingesetzt.
Beispiel 4:
Zum Herstellen eines Dünnschicht-Solarmoduls werden einzelne Dünnschichtsolarzellen in einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden und anschließend zum Schutz vor Umwelteinflüssen verkapselt. Hierfür werden einzelne Dünnschichtsolarzellen, welche bereits mit der oben beschriebenen metallischen Schicht versehen sind und bisher nur getrocknet und nicht gepresst sind, auf einem gemeinsamen Träger, z. B. Glasscheibe oder Trägerfolie appliziert, sodass diese dann beispielsweise in Reihen neben und untereinander angeordnet sind. Anschließend oder auch während der Applizierung der einzelnen Solarzellen erfolgt die elektrische Verbindung der Solarzellen. Für eine Reihenschaltung werden dabei z. B. die Kontakte der Vorderelektrode einer Solarzelle mit den Kontakten der Rückelektrode einer angrenzenden Solarzelle elektrisch miteinander verbunden. Dies kann z. B. über das Aufkleben einer metallischen Folie auf die Kontakte mithilfe eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes durchgeführt werden.
Somit liegt dann ein Modul mit einer Serie aus untereinander verbundenen Solarzellen vor, welches dann z. B. einer Plattenpresse zugeführt wird. Der komplette Ver bund wird dann gepresst mit dem Ziel die oben genannten Verbesserungen zu erzielen. Anschließend kann zum Schutz vor Witterungseinflüssen der gesamte Verbund verkapselt werden. Erfindungsgemäß kann das Verpressen auch während der Verkapselung stattfinden.

1: Trägerfolie
2: Metallischer Rückkontakt
3: Absorberschicht
4: Pufferschicht
5: Tunnelkontakt
6: Vorderseitenelektrode
7: Metallischleitende Schicht

Claims

Verfahren zur Herstellung von CIGS-Solarzellen durch Aufbau der Schichten auf einem Träger, Substrat darauf einem metallischen Rückkontakt Mo einer Absorberschicht CIS oder CIGS einer Pufferschicht CdS oder dgl. einem Tunnelkontakt i-ZnO einem transparenten oxidischen Leiter ITO od. ZnO:Al

als einer transparenten Vorderseitenelektrode dadurch gekennzeichnet, dass auf die transparente Oberfläche aufgebrachten Kontaktfinger und Sammelkontakte, bestehend aus einer Matrix und Metallpartikeln, unter Anwendung von Druck und Temperatur mit der Dünnschichtsolarzelle innig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck zwischen 10 N/cm² bis 1000 N/cm² liegt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck zwischen 80 N/cm² bis 150 N/cm² beträgt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Anpressen der Schicht zwischen 50°C und 450°C liegt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich zwischen 180°C und 200°C liegt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein flexibles Material ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Material eine Metallfolie oder aber Polyimid ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix für die aufzupressende Schicht ein Epoxidharz ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel Ag, Cu, Au, Al, Ni, Metall-beschichtete Kunststoffteilchen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel Silberteilchen sind.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der aufzupressenden Schicht zwischen 31 μm und 50 μm beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Presszeit zwischen 10 sec und 60 min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresszeit 10 min beträgt.
Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus einem Träger, Substrat darauf einem metallischen Rückkontakt Mo einer Absorberschicht CIGS einer Pufferschicht CdS oder dgl. einem Tunnelkontakt i-ZnO einem transparenten oxidischen Leiter ITO od. ZnO:Al

als einer transparenten Vorderseitenelektrode dadurch gekennzeichnet, dass eine auf die transparente Oberfläche aufgebrachte Schicht, bestehend aus einer Matrix und Metallpartikeln, nach Anwendung von Druck und Temperatur mit der Dünnschichtsolarzelle innig verbunden ist.