DE102009036355A1 - Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls - Google Patents

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Michael Dr. Berginski
Peter Lechner
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Abstract

Bei einem Dünnschichtsolarmodul, bei dem auf einer transparenten Frontelektrodenschicht (2) eine aus mehreren Teilschichten (8 bis 13) bestehende, wenigstens eine mikrokristalline Teilschicht (10 bis 12) enthaltenden Halbleiterschicht (3) in einer ersten Beschichtungsanlage (15) durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird, und das Modul anschließend der chemischen Dampfabscheidungsanlage (15) entnommen und dann in einer weiteren Beschichtungsanlage (18) im Vakuum mit den weiteren Schichten des Dünnschichtsolarmoduls beschichtet wird, wird vor dem Abscheiden der weiteren Schichten die auf der Halbleiterschicht (3) zuletzt abgeschiedene Teilschicht (13) in der weiteren Beschichtungsanlage (18) von angelagerten Atmosphärenbestandteilen befreit und ggf. zusätzlich zumindest ein Teil (13a) abgetragen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Dünnschichtsolarmodule bestehen aus einem transparenten, elektrisch nichtleitenden Substrat, z. B. einer Glasscheibe, einer Frontelektrodenschicht, einer Halbleiterschicht als photovoltaisch aktive Schicht und einer Rückelektrodenschicht.
  • Die Frontelektrodenschicht besteht zumeist aus einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, beispielsweise Fluor-dotiertem Zinnoxid oder z. B. Aluminium- oder Bor-dotiertem Zinkoxid. Die Halbleiterschicht kann aus amorphem und/oder mikrokristallinem Silizium bestehen. Meist ist sie aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt. So weisen Silizium-Solarzellen im Allgemeinen die Schichtfolge p-i-n, d. h. eine p-leitende oder p-Schicht, eine intrinsische oder i-Schicht und eine n-leitenden oder n-Schicht auf, wobei über die gesamte i-Schicht ein elektrisches Feld erzeugt wird. Durch Mehrfachzellen, die aus mehreren Teilzellen bestehen, die jeweils eine p-i-n-Schichtfolge aufweisen, kann das elektrische Feld wesentlich vergrößert werden. So kann die Halbleiterschicht von der Lichteinfallsseite her beispielsweise folgende Schichtfolge aufweisen: amorphe p-Schicht, amorphe i-Schicht und mikrokristalline n-Schicht als erste Teilzelle, mikrokristalline p-Schicht, mikrokristalline-i-Schicht, amorphe n-Schicht als zweite Teilzelle.
  • Zur Abscheidung der Teilschichten wird im Allgemeinen die chemische Dampfabscheidung („Chemical Vapor Deposition” oder CVD) verwendet, insbesondere das plasmaunterstützte PE („Plasma Enhanced”) CVD-Verfahren.
  • Die Schichten der einzelnen Teilzellen werden bei einer Silizium-Halbleiterschicht durch das Zerlegen von Silizium-enthaltenden Gasen in dem Plasma hergestellt. Als Depositionsgas dient dabei meist Silan oder Disilan. Neben den (undotierten) i-Schichten werden die dotierten p- und n-Schichten abgeschieden, und zwar die p-Schichten, in die das Licht in die i-Schichten fällt, üblicherweise durch Zugabe von Bor, beispielsweise durch Beimengung von Diboran zum Depositionsgas und die n-Schicht durch Zugabe von Phosphor, beispielsweise durch Beimengung von Phosphin zum Depositionsgas. Das CVD-Verfahren wird im Vakuum, d. h. bei einem reduzierten Druck vorgenommen.
  • Nach dem Abscheiden der Halbleiterschicht wird dann das Modul mit den weiteren Schichten versehen. Dabei kommen an der von der Lichteinfallseite abgewandten Seite in einer Ausführungsform ein Zweischichtsysteme bestehend aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxid als Rückelektrodenschicht kombiniert mit einem weißen, diffus reflektierenden Medium als rückseitige Reflektierschicht zum Einsatz. In der zweiten Ausführungsform ist eine metallische Reflektorschicht vorgesehen, die aus mehreren Metallschichten, beispielsweise aus Aluminium, Silber, Kupfer oder Chrom bestehen kann und dabei zugleich die Rückelektrodenschicht bildet. In diesem zweiten Ausführungsfall kann unter anderem als Diffusionssperre zwischen der Reflektorschicht und der Halbleiterschicht eine Barriereschicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxid zum Einsatz kommen. Als transparentes und elektrisch leitfähiges Metalloxid findet in beiden üblichen Ausführungsformen vorrangig z. B. mit Aluminium-dotiertem Zinkoxid, mit Gallium-dotiertes Zinkoxid, mit Bor-dotiertes Zinkoxid aber auch Fluor-dotiertes Zinnoxid Verwendung.
  • Die Elektrodenschicht, die Barriereschicht aus Metalloxid, die Reflektorschicht und ggf. weitere Schichten werden durch Sputtern oder durch Niederdruck-CVD („Low Pressure” oder LPCVD) abgeschieden. Die Abscheidung der Halbleiterschicht durch PECVD und die Abscheidung der weiteren Schichten durch Sputtern oder LPCVD erfolgt damit in getrennten Anlagen. D. h. das Modul wird nach der Abscheidung der Halbleiterschicht aus der CVD-Anlage genommen und dann in der Sputter- oder LPCVD-Anlage mit den weiteren Schichten beschichtet.
  • Um die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird zwischen der CVD-Anlage und der Sputter- bzw. LPCVD-Anlage meist ein Speicher zum Zwischenlagern der mit der Halbleiterschicht in der CVD-Anlage beschichteten Module eingerichtet.
  • Bevorzugt wird eine texturierte Frontelektrodenschicht verwendet, auf der die Halbleiterschicht abgeschieden wird. Eine texturierte Oberflächentopographie einer Frontelektrodenschicht zeichnet sich durch Vertiefungen mit einer üblichen Tiefe von 20 bis 600 nm und typischen Breiten von 80 bis 4000 nm aus.
  • Beim Wachstum der Halbleiterschicht insbesondere auf einer texturierten Oberfläche kommt es vor allem bei mikrokristallinem Silizium zur Ausbildung von Spalten und Hohlräumen entlang des Schichtwachstums. Diese Spalten und Hohlräume können sich teilweise durch die gesamte Dicke der mikrokristallinen Schicht erstrecken. Die Halbleiterschicht hat damit eine große Oberfläche. In der Literatur wird beschrieben, dass Solarzellen mit einer hohen Dichte dieser Spalten und Hohlräume üblicherweise geringere offene Klemmenspannungen Voc und niedrigere Füllfaktoren FF besitzen, was zu insgesamt niedrigeren Wirkungsgraden führt (siehe z. B. Python et al., Journal of Non-Crystalline Solids 354 (2008) p. 2258–2262). In der Literatur wird diskutiert, dass sich an der Oberfläche und an den Korngrenzen Atmosphären-Gase, insbesondere Sauerstoff und Feuchtigkeit, anlagern können (siehe z. B. Dylla et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 762. 2003, A2.5.1). Die angelagerten Sauerstoff-Atome und Wassermoleküle stellen elektrische Rekombinationszentren für photovoltaisch-generierte Ladungsträger dar, was zu einer Verschlechterung der Solarmodulkenndaten führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hohe stabile Leistung in Dünnschichtsolarmodulen mit kristallinen Teilschichten zu realisieren.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass vor dem Abscheiden weiterer Schichten die zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht, die beispielsweise in einer CVD-Anlage hergestellt worden ist, in der weiteren Anlage zum Abscheiden der weiteren Schichten, wie der Barriereschicht und/oder der Rückelektrodenschicht, von Oberflächenanlagerungen befreit wird und eine definierte Oberfläche für die nachfolgende Deposition geschaffen wird, bevor in der weiteren Anlage die weiteren Schichten, wie Barriereschicht und/oder Rückelektrodenschicht abgeschieden werden. Im Rahmen der Entfernung der Oberflächenanlagerungen kann auch die zuvor in der CVD-Anlage zuletzt abgeschiedene Teilschicht teilweise abgetragen werden.
  • Wie festgestellt werden konnte, wird eine geringere Leistung der Module dadurch verursacht, dass die Module nach dem Herausnehmen aus der CVD-Anlage nach dem Abscheiden der Halbleiterschichten, einschl. der mikrokristallinen Teilschichten, und vor dem Abscheiden der weiteren Schichten in der Sputter- bzw. LPCVD-Anlage der Umgebungsluft ausgesetzt sind, sodass die Luftfeuchtigkeit und andere Atmosphärenbestandteile mit der Oberfläche der Halbleiterschicht in Kontakt kommen.
  • Geringere offene Klemmenspannung Voc und geringere Füllfaktoren FF treten vor allem dann auf, wenn die Halbleiterschicht auf einer texturierten Frontelektrodenschicht aufwächst. Mit einer texturierten Frontelektrodenschicht wird jedoch das Licht in der Halbleiterschicht eingefangen („Light-Trapping”); zugleich wird dadurch der Reflexionsverlust an der Grenzfläche zur Halbleiterschicht minimiert. Zur Steigerung der Kurzschlussstromdichte Jsc ist daher die Verwendung einer texturierten Frontelektrodenschicht angeraten.
  • Da sowohl das Abscheiden der Halbleiterschicht in der einen Anlage, also beispielsweise der CVD-Anlage, wie das Abscheiden der weiteren Schichten in der weiteren, also beispielsweise der Sputter- bzw. LPCVD-Anlage, bei reduziertem Druck, also im Vakuum erfolgt, tritt beim Herausnehmen des Moduls nach dem Abscheiden der Halbleiterschicht aus der einen bzw. CVD-Anlage ein Vakuumbruch auf, der zur Anlagerung von Sauerstoffatomen, Wassermolekülen und gegebenenfalls weiteren Bestandteilen aus der Umgebungsluft an der Halbleiterschicht führt. Da erfindungsgemäß die Entfernung von Oberflächenanlagerungen oder sogar das zumindest teilweise Abtragen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht auf der Halbleiterschicht in der weiteren Anlage zum Abscheiden der weiteren Schichten, wie der Barriereschicht und der Rückelektrodenschicht durchgeführt wird, also in einer evakuierten Anlage, ist erfindungsgemäß die Halbleiterschicht vor der Anlagerung dieser elektrische Rekombinationszentren für photovoltaisch-generierte Ladungsträgern bildenden Moleküle geschützt.
  • Die Entfernung der Oberflächenanlagerungen und das zumindest teilweise Abtragen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht in der weiteren Anlage erfolgt durch Ionenbeschuss. Dazu kann ein Sputterätzen mit einem Sputter-Ätzer in der weiteren Anlage durchgeführt werden.
  • Der Prozessdruck beim Sputterätzen in der weiteren Anlage beträgt vorzugsweise zwischen 1 mPa und 50 Pa.
  • Beim Sputterätzen wird die Oberfläche durch Ionenbeschuss physikalisch gereinigt. Oberflächenanlagerungen wie Verschmutzung und insbesondere angelagerte Luftfeuchtigkeitsreste in der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht werden durch Zerstäuben zum Teil in die Gasphase übergeführt und abgesaugt oder an einer Kollektorfläche kondensiert.
  • Zum Ionenbeschuss können Edelgasionen, wie z. B. Argon zum Einsatz kommen. Vorzugsweise kann eine definierte Oberfläche für die nachfolgende Deposition der Schicht (4) dadurch geschaffen werden, dass das Sputterätzen in einem Plasma bestehend aus Argon- und Sauerstoff-Ionen durchgeführt wird. Dabei kann das Plasma über die gesamte Dauer des Prozesses aus einem Gemisch aus Argon und Sauerstoff bestehen oder zunächst vorwiegend aus Argon und anschließend vorwiegend aus einem Gemisch aus Argon und Sauerstoff oder nur aus Sauerstoff. Es kann auch das Gemisch am Anfang des Sputterätzens vorwiegend aus Sauerstoff und anschließend zum Ende des Sputterätzens vorwiegend aus dem Gemisch oder nur aus Argon bestehen.
  • Enthält das Plasma Sauerstoff-Ionen, so oxidieren diese unabgesättigte Bindungen an der Halbleiteroberfläche und insbesondere unabgesättigte Bindungen in den Spalten und Hohlräumen der mikrokristallinen Halbleiterschicht und führen so zu einer definierten Oberfläche für die nachfolgende Deposition.
  • Die Ionenenergie darf nicht zu hoch gewählt werden, damit die Halbleiterschicht durch Ionenbeschuss nicht beschädigt wird. Demgemäß weisen die Ionen vorzugsweise eine Energie von höchstens 50 eV, insbesondere höchstens 10 eV auf.
  • Statt eines Sputter-Ätzers kann in der weiteren Anlage auch eine Ionenquelle, also eine Ionenkanone, verwendet werden, um die zuletzt abgeschiedene Teilschicht der Halbleiterschicht abzutragen. Dabei kann durch die Wahl des Winkels des Ionenbeschusses eine Glättung oder Aufrauhung der Oberfläche der Halbleiterschicht erzeugt werden. Im Falle einer zusätzlich aufgerauten Oberfläche der Halbleiterschicht vor der Abscheidung der weiteren Schicht in der weiteren Anlage kann die Haftung der weiteren Schicht an der Halbleiterschicht gesteigert werden. Dies ermöglicht beispielsweise ein breiteres Prozessfenster beim z. B. Löten oder Kleben des Kontaktbändchens an die metallische Rückelektrodenschicht. Demgegenüber wird bei einer Glättung der Oberfläche der Halbleiterschicht die Reflexion der Rückelektrodenschicht gesteigert, also die Absorption von Oberflächenplasmonen minimiert.
  • Die Dicke der von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht abgetragenen Schicht beträgt höchstens 15 nm, insbesondere sollte sie nicht mehr als 10 nm betragen. Eine Dicke der von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht abgetragenen Schicht von 1 bis 5 nm wird besonders bevorzugt.
  • Die Halbleiterschicht, die vorzugsweise aus Silizium besteht, kann eine Schichtdicke von 100 nm bis 10 μm aufweisen. Dabei weist sie wenigstens eine mikrokristalline Teilschicht auf.
  • Die Halbleiterschicht kann einen Einzel- oder Mehrfachzellenaufbau aufweisen. So kann die Halbleiterschicht eine Tandemzellenstruktur bestehend aus einer zumindest vorwiegend aus amorphen Teilschichten bestehenden Teilzelle aus Silizium gefolgt von einer ebenfalls aus Silizium bestehenden zumindest vorwiegend aus mikrokristallinen Teilschichten bestehenden Teilzelle bestehen. Die Schichten weisen dabei vorzugsweise eine pin-pin-Dotierreihenfolge auf. So kann bei einer Tandemzelle aus Silizium die der Lichteinfallseite zugewandte Teilzelle aus einer amorphen p-Schicht, einer amorphen i-Schicht und einer mikrokristallinen Siliziumschicht bestehen und die zweite Teilzelle aus einer mikrokristallinen p-Schicht, einer mikrokristallinen i-Schicht und einer amorphen n-Schicht als zuletzt abgeschiedene Schicht. Es kann auch eine Schicht im Bereich des inneren np-Kontakts zwischen der mikrokristallinen n-Siliziumschicht und der mikrokristallinen p-Siliziumschicht als optischer Reflektor zum Steigern der Quantenausbeute eingesetzt werden.
  • Die Schichtdicke der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht kann beispielsweise 15 bis 50 nm betragen. Davon können, wie erwähnt, bis zu 15 nm abgetragen werden.
  • Die zuletzt abgeschiedene Teilschicht, die erfindungsgemäß teilweise abgetragen werden kann, kann aus einem amorphen Halbleiter, insbesondere amorphem Silizium bestehen, jedoch beispielsweise auch eine mikrokristalline Silizium- oder Siliziumoxidschicht sein. Während der Teil dieser zuletzt deponierten Teilschicht, der der Frontelektroden-Schicht zugewandt ist, n-dotiert ist, kann es sich bei dem zuletzt abgeschiedenen Teil der Teilschicht sowohl um eine dotierte wie um eine nichtdotierte Teilschicht handeln.
  • Nach der Entfernung der Oberflächenanlagerungen und/oder nach dem zumindest teilweise Abtragen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht der Halbleiterschicht in der weiteren Anlage werden die weiteren Schichten auf der Halbleiterschicht vorzugsweise durch Sputtern oder LPCVD abgeschieden.
  • An der von der Lichteinfallseite der Halbleiterschicht abgewandten Seite des Moduls ist eine Reflektorschicht vorgesehen, die gleichzeitig als Rückkontakt des Solarmoduls fungiert.
  • Die Reflektorschicht kann aus einer Metallschicht oder einem mehrschichtigen Metallschichtpaket aus Aluminium, Silber, Kupfer und/oder Chrom bestehen und zugleich die Rückelektrodenschicht bilden. Die Schichtdicke des metallischen Reflektors kann 10 bis 1000 nm betragen.
  • Zwischen der metallischen Reflektorschicht und der Halbleiterschicht kann in der weiteren Anlage durch Sputtern oder LPCVD eine Schicht aus einem transparenten, leitfähigen Metalloxid, vorrangig Aluminium-, Gallium- oder Bor-dotiertes Zinkoxid, aber auch Fluor-dotiertes Zinnoxid abgeschieden werden. Diese Schicht stellt eine Sperrschicht gegen Diffusion von Metallionen aus der metallischen Reflektorschicht in die Halbleiterschicht dar. Diese Metalloxidschicht muss keine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, da der Stromtransport nur entlang der Aufwachsrichtung durch eine Materialstärke von ca. 100 nm gewährleistet werden muss.
  • Nach einer anderen Ausführungsform des Solarmoduls wird anstelle eines metallischen Reflektors ein weißes, diffus reflektierendes Medium, z. B. weiße Farbe, eine weiße Folie oder dergleichen als rückseitige Reflektierschicht verwendet. Da diese Reflektierschicht in der Regel nicht elektrisch leitend ist, weist die Schicht aus dem erwähnten transparenten, leitfähigen Metalloxid eine größere Schichtdicke von etwa 300 nm bis 3000 nm auf, um als Rückelektrodenschicht eine genügend hohe Querleitfähigkeit zu gewährleisten.
  • Die zuletzt abgeschiedene Teilschicht der Halbleiterschicht, die teilweise abgetragen werden kann, weist einen Brechungsindex von weniger als 4,3, vorzugsweise weniger als 3,0, besonders bevorzugt weniger als 2,5 im Spektralbereich einer Wellenlänge des Lichts von 600 nm bis 900 nm auf. Dabei ist die Dunkelleitfähigkeit dieser Schicht vorzugsweise größer als 10–6 S/cm, vorzugsweise größer als 10–5 S/cm, besonders bevorzugt größer als 10–3 S/cm. Die optische Transparenz der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht sollte möglichst so hoch sein, wie die einer üblichen amorphen n-Siliziumschicht im Spektralbereich zwischen 650 nm und 1100 nm. Dabei kann es sich bei der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht auch um mikrokristallines Siliziumoxid mit einem hohen Anteil an Wasserstoff handeln, da dieses diese elektro-optischen Anforderungen im besonderen Maße erfüllt. Durch den ausgeprägten Brechungsindexsprung von ca. 4,2 von Silizium auf weniger als 2,5 im besonders bevorzugten Fall einer mikrokristallinen wasserstoffhaltigen Siliziumoxid-Schicht als zuletzt abgeschiedene Teilschicht wird an der Grenzfläche zwischen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht und der zuvor abgeschiedenen Siliziumschicht eine Grenzfläche gebildet, durch die das Licht in die Halbleiterschicht zurückreflektiert wird. Die erwähnte mikrokristalline Siliziumoxid-Teilschicht mit einem hohen Wasserstoffanteil ist zugleich elektrisch so hoch leitfähig, dass es nicht zu einer Reduktion des Füllfaktors des Moduls kommt.
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung sowie einer REM-Aufnahme beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 jeweils schematisch einen Schnitt durch ein photovoltaisches Dünnschichtmodul;
  • 2 einen Schnitt durch die Teilschichten der Halbleiterschicht nach deren Abscheidung;
  • 3 einen Schnitt durch die Halbleiterschicht nach deren Abscheidung auf der Frontelektrodenschicht; und
  • 3a eine Rasterelektronenmikroskop-Bruchkantenaufnahme einer mikrokristallinen Silizium-Solarzelle.
  • 4 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Gemäß 1 besteht das Modul aus einem transparenten Substrat 1, beispielsweise Glas, einer transparenten Frontelektrodenschicht 2 aus einem elektrisch leitfähigen Metalloxid, beispielsweise Zink- oder Zinnoxid, einer Halbleiterschicht 3 z. B. aus Silizium, einer Sperrschicht 4 aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxid, wie Zink- oder Zinnoxid, und einer metallischen Rückelektrodenschicht 5, die zugleich die Reflektorschicht bildet und aus zwei Metallschichten 5a und 5b z. B. aus Silber und Aluminium besteht.
  • Die Halbleiterschicht 3 besteht gemäß 2 aus zwei Teilzellen 6 und 7 aus Silizium. Die dem Lichteinfall (hν) zugewandte Teilschicht 6 besteht z. B. aus einer amorphen p-Schicht 8, einer i-Schicht 9 und einer mikrokristallinen n-Schicht 10 und die zweite Teilzelle 7 aus einer mikrokristallinen p-Schicht 11, einer mikrokristallinen i-Schicht 12 und einer amorphen n-Schicht 13. Die amorphe n-Schicht 13 weist eine Schichtdicke d von 15 bis 50 nm auf.
  • Zur Herstellung des Moduls wird, wie in 4 dargestellt, das mit der Frontelektrodenschicht 2 beschichtete Substrat 1 gemäß dem Pfeil 14 in eine PECVD-Anlage 15 eingebracht und dort im Vakuum, d. h. bei vermindertem Druck, mit den Teilschichten 8 bis 13 beschichtet, wobei die Teilschicht 13 aus amorphen Silizium die zuletzt abgeschiedene Schicht bildet.
  • Danach wird das Vakuum in der Anlage 15 beseitigt, also der Druck auf Normaldruck gebracht und das mit der Frontelektrodenschicht 2 und den Halbleiterschichten 8 bis 13 beschichtete Substrat einem Zwischenspeicher 17 gemäß dem Pfeil 16 zugeführt wird.
  • Das mit der Frontelektrodenschicht 2 und den Halbleiterschichten 8 bis 13 beschichtete Substrat 1 wird danach von dem Zwischenspeicher 17 der weiteren Beschichtungsanlage 18 zugeführt, die auf beispielsweise 0,5 mPa evakuiert ist.
  • Die Beschichtungsanlage 18 ist mit einer Station 19 mit einem Sputter-Ätzer, einer daran anschließenden Station 20 zum Sputter-Auftrag der Schicht 4 aus einem transparenten elektrisch leitfähigen Metalloxid, beispielswiese mit Aluminium dotiertem Zinkoxid, und zwei Stationen 21 und 22 zum Sputter-Auftrag der metallischen Reflektorschicht 5 aus z. B. einer Silberschicht 5a und einer Aluminiumschicht 5b versehen.
  • In der Sputter-Ätzer-Station 19 wird von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht 13 der Halbleiterschicht gemäß 2 und 3 der Teil 13a mit einer Schichtdicke von beispielsweise 3 nm abgetragen. Die Schichtdicke d der Teilschicht 13 kann 15 bis 50 nm betragen. Zum Ende des Sputter-Ätz-Prozesses wird zu dem Argon-Prozessgas ein zusätzlicher Anteil Sauerstoff beigemengt. In dem Plasma des Sputterätzers entstehen Sauerstoff-Ionen, welche an der von den Anlagerungen befreiten Oberfläche unabgesättigte Silizium-Atome absättigen können und so eine definierte Oberfläche für die nachfolgende Schichtdeposition schaffen.
  • Anschließend wird das Substrat 1 mit der darauf abgeschiedenen Frontelektrodenschicht 2 und der Halbleiterschicht 3, also mit der um den Teil 13a abgetragenen Teilschicht 13, den Stationen 20 bis 22 zugeführt, um auf der um den Teil 13a reduzierten Teilschicht 13 die Metalloxidschicht 4 sowie die Silberschicht 5a und die Aluminiumschicht 5b der Reflektorschicht 5 durch Sputtern aufzutragen.
  • In 4 ist für jeden Vorgang nur eine Station dargestellt. Im Allgemeinen ist jedoch eine Strecke mit mehreren Stationen zur schrittweisen Durchführung des jeweiligen Vorgangs vorgesehen. Dies gilt insbesondere für den Sputter-Auftrag.
  • Wie in 3 schematisch dargestellt ist, weist die Frontelektrodenschicht 2 Vertiefungen 25 mit einer Tiefe h von z. B. 200 nm und einer Breite b von z. B. 2000 nm auf.
  • In 3 ist lediglich die zuletzt abgeschiedene Teilschicht 13 der Halbleiterschicht 3 dargestellt, während die zuvor abgeschiedene Teilschichten 8 bis 12, die in 2 mit „23” bezeichnet sind und im Wesentlichen aus mikrokristallinem Silizium bestehen, in 3 der Einfachheit halber nicht im Einzelnen wiedergegeben sind.
  • In 3a ist eine Rasterelektronenmikroskop-Bruchkantenaufnahme einer mikrokristallinen Silizium-Solarzelle gezeigt, Auf dem Substrat 1 aus Glas und der texturierten Frontelektrode 2 aus ZnO:Al befindet sich eine Halbleiterschicht aus mikrokristallinem Silizium 11, 12, 13 und eine Sperrschicht 4 aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxid und eine metallische Rückelektrodenschicht 5a. Während des Wachstums der mikrokristallinen Halbleiterschicht 11 bis 13 sind Spalten 24 entstanden. An der Oberfläche und insbesondere im Bereich der Spalten 24 sind viele der Silizium-Atome unabgesättigt (Si- in 3a).
  • Es ist ersichtlich, dass sich beim Anwachsen der im Wesentlichen aus mikrokristallinem Silizium bestehenden Teilschichten 11 bis 13, sich Spalten 24 in der Halbleiterschicht 3 ausbilden.
  • Wenn das mit der Frontelektrodenschicht 2 und den Halbleiterschichten 8 bis 12, einschließlich der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht 13 versehene Substrat 1 nach dem Beschichten in der evakuierten PECVD-Anlage 15 in den Zwischenspeicher 17 gegeben wird, lagern sich an der Oberfläche der Teilschicht 13 beispielsweise Wassermoleküle aus der Umgebungsluft an, die in der Solarzelle 7 Rekombinationszentren für photovoltaisch-generierte Ladungsträger bilden und damit zu einer Verschlechterung der Solarmodulkenndaten führen.
  • Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß der Teil 13a an der Oberfläche der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht 13, an dem sich die Wasser- und dergleichen Moleküle befinden in der evakuierten Beschichtungskammer 18 an der Station 20 mit dem Sputter-Ätzer abgetragen, bevor die weiteren Schichten, also die Metalloxidschicht 4 und die Metallschichten 5a und 5b an den Stationen 20 bis 22 in der evakuierten Beschichtungsanlage 18 abgeschieden werden. Während des Abtragens oder aber jedenfalls vor dem Deponieren der Metalloxidschixcht 4 können im Plasma Sauerstoff-Ionen (O-) angeboten werden, die die unabgesättigten Siliziumatome (Si-) absättigen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Python et al., Journal of Non-Crystalline Solids 354 (2008) p. 2258–2262 [0010]
    • - Dylla et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 762. 2003, A2.5.1 [0010]

Claims (18)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem auf einer transparenten Frontelektrodenschicht (2) eine aus mehreren Teilschichten (8 bis 13) bestehende, wenigstens eine mikrokristalline Teilschicht (10 bis 12) enthaltenden Halbleiterschicht (3) in einer ersten Beschichtungsanlage (15) durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird, das Modul anschließend der chemischen Dampfabscheidungsanlage (15) entnommen und dann in einer weiteren Beschichtungsanlage (18) im Vakuum mit den weiteren Schichten des Dünnschichtsolarmoduls beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der weiteren Schichten auf der Halbleiterschicht (3) von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13) der Halbleiterschicht (3) in der weiteren Beschichtungsanlage (18) zumindest die aus dem Vakuumbruch zwischen der ersten Beschichtungsanlage (15) und der weiteren Beschichtungsanlage (18) resultierende Anlagerungen bestehend aus Atmosphärenbestandteilen abgetragen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Beschichtungsanlage (18) die Abtragung der Atmosphärenbestandteile an der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13) der Halbleiterschicht (3) durch Ionenbeschuss erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenbeschuss zumindestens teilweise aus Edelgas-Ionen besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenbeschuss zumindestens teilweise aus Sauerstoff-Ionen besteht.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Beschichtungsanlage (18) vor dem Abscheiden der weiteren Schichten auf der Halbleiterschicht (3) von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13) der Halbleiterschicht (3) zumindest ein Teil (13a) abgetragen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenbeschuss durch Sputter-Ätzen erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck beim Ionenbeschuss in der weiteren Anlage (18) höchstens 50 Pa beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck beim Ionenbeschuss in der weiteren Anlage (18) mindestens 1 mPa beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Ionenbeschuss freigesetzten Feuchtigkeitsreste abgesaugt oder an einer Kollektorfläche kondensiert werden.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sputter-Ätzen ein Plasma verwendet wird, das zumindest teilweise aus Edelgas besteht.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der von der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13) abgetragenen Schicht (13a) höchstens 15 nm beträgt.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt abgeschiedene Teilschicht (13) eine Schichtdicke (d) von 15 bis 50 nm aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zumindest teilweisen Abtragen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13a) in der weiteren Anlage (18) die weiteren Schichten auf der Halbleiterschicht (3) durch Sputtern oder chemische Dampfabscheidung bei Niederdruck in der weiteren Anlage (18) aufgetragen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zumindest teilweise Abtragen der zuletzt abgeschiedenen Teilschicht (13) eine transparente, elektrisch leitfähige Schicht (4) in der weiteren Anlage (18) auf der Halbleiterschicht (3) abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (3) aus Silizium besteht.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt abgeschiedene Teilschicht (13) an der zur Teilschicht (12) zugewandten Grenzfläche n-dotiert ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (3) aus wenigstens einer Zelle (7) mit einer p-leitenden Teilschicht (11) aus mikrokristallinem Silizium auf der der Frontelektrodenschicht (2) zugewandten Seite besteht, auf der eine intrinsische Teilschicht (12) aus mikrokristallinem Silizium und eine n-leitende Teilschicht (13) aus amorphem Silizium abgeschieden sind.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt abgeschiedene Teilschicht der Halbleiterschicht (3) eine Dunkelleitfähigkeit größer als 10^–6 S/cm aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19727253A1 (de) * 1996-06-27 1998-01-08 Amoco Enron Solar Photovoltaische Bauteile und Verfahren zum Herstellen derselben durch eine Oberflächenvorbereitung für beschleunigte Keimbildung mikrokristallinen Siliziums auf heterogenen Substraten
US20090020154A1 (en) * 2007-01-18 2009-01-22 Shuran Sheng Multi-junction solar cells and methods and apparatuses for forming the same

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