DE102009041905A1

DE102009041905A1 - Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen

Info

Publication number: DE102009041905A1
Application number: DE102009041905A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Otte; Alexander Dr. Braun; Steffen Ragnow; Andreas Rahm; Christian Scheit
Original assignee: Solarion AG Photovotaik
Current assignee: Oc3 Ag De
Priority date: 2009-09-20
Filing date: 2009-09-20
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-09-21
Also published as: US8778723B2; WO2011032717A2; BR112012006222A2; CN102598268A; EP2478559A2; WO2011032717A3; US20120276681A1; DE102009041905B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen. Es ist die Aufgabe gestellt, das Strukturierungsverfahren so zu gestalten, dass eine zuverlässige und effektive Verschaltung ermöglicht, Kurzschlüsse vermieden und die nutzbare Solarzellenfläche vergrößert werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch die Ansprüche 1 und 14, die Lösung ist zur Massenproduktion geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen zur Herstellung von Solarmodulen.
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 in anhand einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle auf Folienbasis dargestellt und umfasst den Träger bzw. das Substrat welches zum Beispiel aus einer Folie besteht (1), die metallische Rückkontaktschicht (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 und die transparente Vorderseitenelektrode, die aus einem transparenten oxidischen Leiter wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO – indium tin oxide) oder aluminiumdotiertes Zinkoxid besteht. Der Tunnelkontakt und die Vorderseitenelektrode (auch als transparente Frontkontaktschicht bezeichnet) werden gemeinsam als eine Schicht dargestellt (5). Vorteilhaft zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen ist die kontinuierliche Prozessführung bei der Schichtabscheidung.
Es ist weiterhin bekannt eine serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen in Form einer monolithischen Integration zu erreichen. Verfahren hierfür sind z. B. in US 5,593,901 zu finden. Für eine monolithisch integrierte Verschaltung müssen, wie beschrieben beim Aufbau der Dünnschichtsolarzellen und deren Verschaltung alternierend Beschichtungs- und Strukturierungsschritte durchgeführt werden. Die Abscheidung der einzelnen Schichten der Dünnschichtsolarzelle wird also durch mehrere Strukturierungsschritte unterbrochen.
Um ein Unterbrechen der Abscheideprozesse zu vermeiden wird in WO 2008/157807 A2 vorgeschlagen alle Strukturierungsschritte nach dem Herstellen des kompletten Schichtpaketes durchzuführen und diese mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste bzw. elektrisch isolierender Polymerpaste zu verfüllen ( ). zeigt den Prozessablauf basierend auf dem Stand der Technik. Ausgangspunkt ist das in dargestellte Schichtpaket aus Substrat (1), Rückkontaktschicht (2), photoaktiver Schicht (3), Pufferschichten (4) und transparenter Frontkontaktschicht (5). Dieses Schichtpaket wird nun, wie in gezeigt, strukturiert und dabei in Einzelsegmente unterteilt. Die Anzahl der Einzelsegmente kann zunächst beliebig gewählt werden. Je Einzelsegment werden 3 Strukturierungsschritte benötigt. Die einzelnen Strukturierungsschritte werden im Folgenden anhand von erläutert. Strukturierung A trennt die transparente Frontkontaktschicht (5) vollständig auf, sodass die Pufferschichten (4) bzw. die Absorberschicht (3) sichtbar werden. Strukturierung B trennt alle Schichten oberhalb der Rückkontaktschicht (2) auf und legt diesen somit frei. Mit der Strukturierung C wird das komplette Schichtpaket inklusive der Rückkontaktschicht oberhalb des Substrates aufgetrennt. Um eine Reihenschaltung zwischen den durch die Strukturierung definierten Einzelsegmenten zu erreichen, muss eine Verbindung von der Rückkontaktschicht eines Segmentes zur Frontkontaktschicht eines folgenden Segmentes erreicht werden. Diese Verbindung wird beim Stand der Technik mittels einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste erzeugt, welche in den strukturierten Graben B gefüllt wird (s. ). Die Strukturierung A dient dazu, einen Kurzschluss der Frontkontaktschichten benachbarter Einzelsegmente zu verhindern. Strukturierung C übernimmt dieselbe Aufgabe, allerdings für die Rückkontaktschichten benachbarter Einzelsegmente. Die Strukturierungen A und C werden mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste aufgefüllt (s. ).
Die bekannten technischen Lösungen haben eine Reihe von Nachteilen, die sich in zwei Aspekte unterteilen lassen.
Aspekt A:
Alle 3 in gezeigten Strukturierungen (A, B und C) werden in unterschiedliche Tiefen des Schichtpaketes geführt – Strukturierungsschritt A bis zur Pufferschicht, Strukturierungsschritt B bis zur Rückkontaktschicht und Strukturierungsschritt C bis zum Substrat. Für jeden der Strukturierungsschritte muss also entweder ein eigener Parametersatz zum vollständigen Entfernen der entsprechenden Schichten ohne eine Beschädigung der darunter liegenden Schichten gefunden werden oder eine zusätzliche Technologie verwendet werden. Da bei den Strukturierungen A, B und C unterschiedliche Schichtabfolgen aufgetrennt werden, sind somit 3 Parametersätze oder bis zu 3 verschiedene Technologien notwendig. Werden die Strukturierungen z. B. mechanisch mittels einer Reißnadel durchgeführt, kann ein Parametersatz beispielsweise die Aufsetzkraft der Nadel, die Verfahrgeschwindigkeit der Nadel, der Radius der Nadelspitze und die Zahl der Überfahrten der Nadel umfassen.
In der Regel ist die Haftung der transparenten Frontkontaktschicht (5) auf den Pufferschichten (4) bzw. auf der Absorberschicht (3) höher als die Haftung der Absorberschicht (3) auf der Rückkontaktschicht (2). Es ist somit technisch höchst anspruchsvoll z. B. mittels Reißnadel die transparente Frontkontaktschicht oberhalb der Pufferschichten zu entfernen.
Ähnlich problematisch ist die Entfernung der transparenten Frontkontaktschicht mittels Laserstrahlung. Wird z. B. ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet, kann in die transparente Frontkontaktschicht nahezu keine Energie deponiert werden, da die transparenten Frontkontaktschichten bei diesen Wellenlängen in der Regel eine hohe Transmission aufweisen. Der Großteil der vom Laser eingestrahlten Energie wird dann in den Pufferschichten und in der Absorberschicht deponiert und führt dort z. B. zum Aufschmelzen dieser Schichten, was mit einer Funktionsstörung durch beispielsweise Kurzschlüsse in diesen Schichten verbunden ist.
Um dieses Problem zu umgehen, könnten Laser mit geringerer Wellenlänge gewählt werden. Beispielsweise zeigen die gängigen transparenten Frontkontaktschichten bei einer Wellenlänge von 266 nm ein hohes Absorptionsvermögen, wodurch die von diesem Laser emittierte Strahlung gut in der transparenten Frontkontaktschicht deponiert werden kann. Diese kurzen Wellenlängen dieser Laser werden mittels „frequency conversion” aus Lasern mit größeren Wellenlängen erzeugt. Solch ein „frequency conversion” setzt kostenintensive optische Geräte mit zum Teil begrenzter Lebensdauer voraus. Zum anderen ist solch ein „frequency conversion” immer mit einer Verminderung der Laserintensitäten und somit einer Verringerung der Durchsätze im Rahmen einer Massenfertigung verbunden.
Der Strukturierungsschritt A separiert die Frontkontaktschichten zweier benachbarter Segmente. Beim Stand der Technik sind die Puffer- und Absorberschichten nicht aufgetrennt. Bei den Absorberschichten handelt es sich in der Regel um Halbleitermaterialien, welche ebenfalls elektrisch leitfähig sind. Zwar sind in der Regel die Querleitfähigkeiten dieser Halbleiterschichten deutlich niedriger als die Querleitfähigkeiten der transparenten Frontkontaktschicht und der Rückkontaktschicht, aber dennoch nicht verschwindend gering. Erschwerend kommt hinzu, dass moderne Absorber-Halbleiterschichten zunehmend niederohmig ausgeführt werden, wodurch auch deren Querleitfähigkeit zunimmt. Offensichtlich liegt hier der Irrglaube vor, dass die Isolierung durch ein Auftrennen der transparenten Frontkontaktschicht ausreichend ist. Es ist aber durchaus möglich, dass trotz Auftrennen der transparenten Frontkontaktschicht nach wie vor eine elektrische Verbindung zwischen den transparenten Frontkontaktschichten zweier benachbarter Einzelsegmente über die Absorberschicht und die im strukturierten Graben B gefüllte elektrisch leitfähige Polymerpaste besteht (vgl. ). Somit liegt ein Kurzschluss vor und die elektrische Verbindung der Einzelsegmente im Sinne einer Reihenschaltung ist erheblich in Ihrer Funktion gestört.
Aspekt B:
Beim Stand der Technik wird zuerst die Strukturierung des Schichtpaketes und anschließend, wie oben beschrieben, die Verfüllung der erzeugten Gräben mittels elektrisch isolierender und elektrisch leitfähiger Polymerpasten vorgenommen. Sowohl die Positioniergenauigkeit beim Auftragen der elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Polymerpasten als auch das Verlaufen dieser Polymerpasten nach dem Auftragen machen es notwendig, beim Herstellen der Strukturierungen diese Aspekte bei der Festlegung der Abstände der Strukturierungsgräben zu berücksichtigen. Unter Beachtung aller Toleranzen werden die Abstände der einzelnen Strukturierungsschritte untereinander aus Sicht der Prozesssicherheit eher größer gewählt werden. Die Bereiche der Strukturierungen und die Verfüllungen dieser Gräben tragen nicht zur Erzeugung von Ladungsträgern bei. Somit wird beim Stand der Technik wertvolle aktive Solarzellfläche bei der Erzeugung der Ladungsträger verschenkt und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Strukturierungen so zu gestalten, dass zum einen die Prozesse vereinfacht und damit preiswertere werden und zum anderen Kurzschlüsse an den Verbindungsstellen der Einzelsegmente vermieden werden (Aspekt A). Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung die durch die Verbindung der Einzelsegmente erzeugte inaktive Solarzellefläche auf ein Minimum zu reduzieren und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen (Aspekt B).
Aspekt A:
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass im Strukturierungsschritt A nicht nur die transparente Frontkontaktschicht, sondern alle über der metallischen Rückkontaktschicht liegenden Schichten durchstoßen werden (vgl. ). Damit sind Strukturierungsschritt A und B technologisch identisch, womit für A und B nun ein und dieselben Parametersätze oder dieselbe Technologie bei der Strukturierung verwendet werden können. Darüber wird die Gefahr eines Kurzschlusses zweier benachbarter Segmente über die Absorberschicht (3) vermieden. Die Verschaltung der einzelnen Solarzellensegmente erfolgt bekanntermaßen durch Verwendung einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste in dem strukturierten Graben B, wohingegen die strukturierten Gräben A und C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste aufgefüllt werden.
Aspekt B:
Zur Minimierung der inaktiven Flächen der Solarzelle wird eine Abänderung der Prozessabfolge erfindungsgemäß vorgeschlagen. Die Strukturierung A wird erst nach der Verfüllung der mit B und C strukturierten Gräben durchgeführt. Somit lässt sich z. B. unter Verwendung eines Kamerasystems die Kontur der in den Graben B gefüllten leitfähigen Polymerpaste erkennen. Dadurch lässt sich die Strukturierung A beliebig dicht an die Kante der elektrisch leitfähigen Polymerpaste setzen. Eine Verfüllung des strukturierten Grabens A mit einer elektrisch isolierenden Paste ist dann nicht mehr nötig. Mit dem in Aspekt B genannten Weg wird somit einerseits der Anteil inaktiver Flächen minimiert und zum anderen elektrisch isolierende Polymerpaste eingespart (vgl. oben).
Prozessabfolge für erfindungsgemäße serielle Verschaltung
Aspekt A:
Ausgangspunkt ist ein Substrat beschichtet mit den für eine Dünnschichtsolarzelle notwendigen Einzelschichten (vgl. und ). Die Schichten auf dem Substrat werden nun anschließend strukturiert. Dabei werden die Schichten in Einzelsegmente unterteilt. Je Einzelsegment sind 3 Strukturierungen (A, B, C) notwendig (vgl. ). Strukturierung A und B trennen dabei die Schichten 3, 4 und 5 vollständig auf, sodass Schicht 2 sichtbar wird. Strukturierung C trennt die Schicht 2, 3, 4 und 5 vollständig auf, sodass das Substrat (1) sichtbar wird. Das Auftrennen der Schichten kann dabei z. B. mechanisch mit einer Reißnadel erfolgen. Es gilt hier die optimalen Parameter zum Abtragen der einzelnen Schichten zu finden. So können z. B. die Kraft der Nadel, die Verfahrgeschwindigkeit der Nadel, Radius der Nadelspitze oder Anzahl der Überfahrten der Nadel angepasst werden. Die Parameter für die Strukturierung A und B sind dabei so zu wählen, dass eine Beschädigung der Schicht 2 vermieden wird aber dennoch ein vollständiges Entfernen der Schichten 3, 4 und 5 gewährleistet wird. Die Parameter der Strukturierung C sind so zu wählen, dass ein vollständiges Auftrennen der Schicht 2 gewährleistet wird ohne das das Substrat (1) in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Idealerweise sollte bei der Strukturierung C das Substrat oberflächlich nicht abgetragen werden. Ein oberflächliches Abtragen des Substrates ist allerdings solange unproblematisch, solange die Stabilität des Substrates nicht beeinflusst wird. Die Freilegung der Gräben A, B und C kann erfindungsgemäß auch unter Verwendung eines Laserstrahls oder durch die Kombination von Lithographie und nasschemischer Ätzung bzw. vakuumbasierender Trocken-Ätztechniken erfolgen. Der Abstand der 3 Strukturierungen eines Segmentes untereinander wird im wesentlichen durch die Positioniergenauigkeit beim Befüllen der strukturierten Gräben und dem Verlaufen der elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Polymerpasten bestimmt und sollte hinsichtlich Minimierung der solarinaktiven Flächen optimiert werden.
Im Anschluss an die Strukturierungen A bis C erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben mittels elektrisch isolierender Polymerpaste (Graben A und C) und elektrisch leitfähiger Polymerpaste (Graben B). Für die Verfüllung der Gräben kann ein Dispenser entweder mit druckbeaufschlagter Kartusche oder einem Dispenser mit Spindelventil oder einem Dispenser mit einem Jetventil eingesetzt werden, wobei letzteres System höhere Durchsätze im Rahmen einer Massenfertigung gewährleistet. Erfinderisch kann jedoch ebenso eine Siebdrucktechnologie oder Artverwandte Technologien eingesetzt werden. Die elektrisch isolierende Polymerpaste verfüllt dabei die Gräben A und C (vgl. ). Die Verfüllung der Gräben A und C ist dabei so durchzuführen, dass keine elektrisch isolierende Polymerpaste in den Graben B gelangt. Die Gräben A und C müssen darüber hinaus vollständig verfüllt werden, ohne dass Teile der Gräben ohne Verfüllung verbleiben.
Im Anschluss wird die elektrisch leitfähige Paste in Graben B und über Graben C hinaus aufgetragen (vgl. ). Die in die Gräben gefüllten Polymerpasten müssen nach dem Auftragen entsprechend der Herstellerangaben getrocknet werden. Dies kann je nach Polymersystem der Pasten in einem Umlufttrockenofen oder unter UV-Bestrahlung erfolgen. Es wird somit eine elektrische Verbindung zwischen der Rückkontaktschicht eines Segmentes und der Frontkontaktschicht des benachbarten Segmentes hergestellt (vgl. ). Die elektrisch leitfähige Polymerpaste muss dabei so weit über die nicht leitfähige Verfüllung des Graben C hinausreichen, dass eine elektrische Kontaktierung der transparenten Frontkontaktschicht möglich ist. Wie groß am Ende die Fläche ist, welche den transparenten Frontkontakt berührt, ist abhängig von der Art des transparenten Frontkontaktes und der leitfähigen Polymerpaste. Es muss hier eine Optimierung hinsichtlich elektrischer Verluste und Abschattung aktiver Zellfläche durchgeführt werden.
Beispiel für Aspekt A:
Das Beispiel wird anhand der beschrieben.
Anwendung der Prozessabfolge zum Bau einer 5 cm × 5 cm großen Einheit aus untereinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen. Es soll erwähnt werden, dass die Größe der verschalteten Dünnschichtsolarzellen beispielhaft ist; erfindungsgemäß können beliebige Größen Anwendung finden.
Ausgangspunkt ist eine 15–75 μm dicke Polyimidfolie als Substrat (1). Diese wird mittels Magnetron-Sputtern ganzflächig etwa 0,2 bis 2 μm dick beispielhaft mit Molybdän beschichtet. Diese Molybdänschicht dient als Rückkontaktschicht (2) der Solarzelle. Es können jedoch auch verschiedene Metalle oder Metallschichten als Rückkontaktschicht dienen. Auf dieser Molybdänschicht werden anschließend die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen mittels Koverdampfung im Vakuum abgeschieden. Es können jedoch auch andere bekannte Technologien zur Abscheidung der CIGS-Schicht verwendet werden. Dazu gehören u. a. sequentielle Abscheidung, galvanische Abscheidung, Drucktechnologien oder ionenstrahlunterstützte Abscheidung. Auf dieser etwa 1 bis 2 μm dicken Cu(In,Ga)Se₂-Schicht (Absorberschicht, photoaktive Schicht (3)) wird dann eine dünne (10 bis 100 nm) Cadmiumsulfidschicht nasschemisch aufgetragen. Die CdS Schicht kann auch durch einen Vakuumbasierende Technologie dargestellt werden. Ebenso ist es erfinderisch mögliche Cd-freie Pufferschichten zu verwenden. Auf der Pufferschicht folgt ein dünne (10 bis 100 nm) intrinsische Zinkoxidschicht (i-ZnO) aufgetragen mittels RF-Sputtern (4). Als Abschluss wird dann eine etwa 0,5 bis 3 μm dicke mit Aluminium dotierte Zinkoxidschicht (Al:ZnO) aufgesputtert. Die i-ZnO Schicht und die Al:ZnO Schicht werden zur Vereinfachung gemeinsam als Frontkontaktschicht (5) dargestellt. Die Al:ZnO Schicht kann auch aus ITO bestehen. Die Darstellung der einzelnen Schichten kann sowohl in einem Batch-Prozess als auch in einem kontinuierlichen Prozess (beispielsweise Rolle-zu-Rolle) abgeschieden werden.
Das mit den oben genannten Beschichtungen versehene Polyimidband wird beispielhaft auf eine Größe von 5 cm × 5 cm zurechtgeschnitten und ist nun Ausgangspunkt für die Strukturierung der Schichten und die anschließende Reihenverschaltung (vgl. ).
Die 5 cm × 5 cm große beschichte Polyimidfolie wird wie in gezeigt mit 18 parallelen Strukturierungen versehen, wobei je drei Strukturierungen gruppiert angeordnet werden. Die Abfolge der Strukturierungslinien (vgl. ) ist ABCABC... usw. Begonnen wird mit der Strukturierung A. Diese wird beispielhaft mechanisch mittels Reißnadel durchgeführt. Die Reißnadel selbst wird auf einem x-y-z-Tisch befestigt und ist computergestützt gesteuert. Abhängig von den Materialeigenschaften der Schichten 3, 4 und 5 werden die Bearbeitungsparameter der Reißnadel (wie z. B. Radius der Nadelspitze, Anpresskraft der Nadelspitze, Verfahrgeschwindigkeit der Spitze und Anzahl der Überfahrten der Spitze) so angepasst dass die Schichten 3, 4 und 5 vollständig entlang der Strukturierungslinie entfernt werden ohne die Schicht 2 dabei zu zerstören. Die Länge der Strukturierungslinie beträgt in diesem Fall 5 cm (Länge des beschichteten Substrates). Die Breite der Linie wird im Wesentlichen durch den Radius der Nadelspitze bestimmt. In dem Beispiel lag die Linienbreite bei 70 μm; andere typische Linienbreiten liegen bei etwa 10 bis 100 μm. Nachdem die erste Strukturierung A abgeschlossen ist, erfolgt die Strukturierung B. Diese liegt parallel zur Strukturierung A um etwa 300 μm versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50–500 μm liegen. Da Strukturierung A und B technologisch identisch sind, erfolgt die Strukturierung B nach dem Schema der Strukturierung A. Nach Abschluss der Strukturierung B erfolgt die Strukturierung C. Diese erfolgt parallel zur Strukturierung B um 300 μm versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50–500 μm liegen.
Strukturierung C wird in dem dargestellten Beispiel mittels Reißnadel durchgeführt. Abweichend zu den Strukturierungen A und B wurden die Parameter so angepasst, dass zusätzlich zu den Schichten 3, 4 und 5 auch die Schicht 2 durchtrennt wird.
Ist Strukturierungsschritt C beendet, werden die soeben beschriebenen Strukturierungsschritte A, B und C wiederholt, wobei diese nächste Strukturierungsgruppe parallel zur ersten Gruppe beispielhaft um etwa 7 mm versetzt durchgeführt wird. Die dritte Strukturierungsgruppe wird dann wiederum um 7 mm gegenüber der zweiten Gruppe versetzt und so weiter. Insgesamt werden 6 Gruppen mit je 3 Strukturierungslinien gesetzt (vgl. ). Es soll erwähnt werden dass der Abstand der Strukturierungsgruppen zwischen 3 und 15 mm liegen kann und u. a. von den elektrischen Eigenschaften des Frontkontaktes abhängt. Ebenso können auch zuerst alle Strukturierungsschritte für den Graben A auf dem 5 cm Substrat und danach die Strukturierungsschritte B und C oder in jeder anderen beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Nach Abschluss aller Strukturierungslinien erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben. Zunächst werden die Gräben A und C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste unter Zuhilfenahme eines computergesteuerten Dispensers auf einem x-y-z Tisch verfüllt (vgl. ). Die Verfüllung hat dabei so zu erfolgen, dass keine elektrisch isolierende Paste in den Graben B läuft und diesen verschließt. Darüber hinaus muss die Verfüllung der Gräben A und C mit elektrisch isolierender Paste lückenlos erfolgen. Dies ist besonders bei Graben C von entscheidender Bedeutung, da dieser anschließend von einer elektrisch leitfähigen Paste überdeckt werden wird, welche ihrerseits dann bei einem unvollständig isolierten Graben C in diesen eindringen kann und somit zum Kurzschluss zweier Segmente führen kann. Elektrisch isolierende Polymerpasten sind kommerziell von verschiedenen Herstellern erhältlich. Die Liniendicke der aufgetragenen Paste ist zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Typische Linienbreiten liegen im Bereich von 1500 bis 300 μm. Die Verfüllung der Gräben hat dabei über die gesamte Länge der Gräben (in diesem Fall 5 cm) zu erfolgen. Nachdem alle Gräben A und C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wurde, muss die Paste entsprechend der Herstellerangaben mittels Umlufttrockenofen oder IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet werden.
Nach dem Aushärten der isolierenden Paste kann die Verfüllung aller Gräben B mit einer elektrisch leitfähigen Paste unter Zuhilfenahme eines Dispensers erfolgen (vgl. ). Auch hier ist die Liniendicke zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Der Auftrag der elektrisch leitfähigen Paste muss dabei so durchgeführt werden, dass der Graben B vollständig ausgefüllt wird ohne dabei über die isolierende Verfüllung des Grabens A hinaus zu verlaufen, da sonst ein Kurzschluss des Segmentes vorliegt. Weiterhin muss die elektrisch leitfähige Paste in jedem Fall über die isolierende Verfüllung des Grabens C hinaus geführt werden um somit eine Kontaktierung der Frontkontaktschicht des folgenden Segmentes zu garantieren. Typische Linienbereiten der elektrisch leitfähigen Verfüllungen liegen bei 400 bis 700 μm und hängt u. a. von dem Abstand der Gräben B und C ab. Elektrisch leitfähige Paste ist von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Nachdem alle Gräben B mit elektrisch leitfähiger Paste verfüllt worden sind, wird die Paste je nach Herstellerangaben im Umlufttrockenofen oder mit IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet.
Aspekt B:
Abweichend zur Prozessabfolge in Aspekt A, werden zunächst im Schichtpaket (vgl. ) nur die Strukturierungen B und C durchgeführt (vgl. ). Anschließend wird der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt (vgl. ). Die isolierende Paste wird entsprechend der Herstellerangaben getrocknet. Danach wird die elektrisch leitfähige Polymerpaste in den Graben B und über die Verfüllung des Grabens C hinaus mit einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste verfüllt (vgl. ). Abschließend wird die Strukturierung A durchgeführt (vgl. ). Zur Minimierung der solarinaktiven Flächen ist es dabei vorteilhaft, die Strukturierung A soweit wie möglich an die Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Polymerpaste zu setzen. Dies kann erreicht werden, indem die Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste mithilfe z. B. einer optischen Erkennung (Kamera) erfasst wird (vgl. und den Vergleich zum Stand der Technik in unten). Entscheidend ist hier, dass die Strukturierung A erst nach dem Verfüllen der Gräben B und C erfolgt. Da eine elektrisch leitfähige Polymerpaste ihre Leitfähigkeit meist durch ein Zusetzen metallischer Partikel erreicht, ist durch die Reflektion des Lichts an diesen Partikeln ein guter Kontrast zum Solarzellenmaterial gegeben, da dieses das Licht ja absorbiert. Entsprechend der Lage und der Ausformungen der Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste kann somit die Strukturierung A zum einen so dicht wie möglich an die Kante gesetzt werden. Zum anderen kann die Strukturierung A an die Ausformungen der Kanten der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste angeglichen werden. Beide letztgenannten Möglichkeiten können die Größe der inaktiven Flächen minimieren und somit den Wirkungsgrad der Solarzellen erhöhen. Zusätzlich wird ein Prozessschritt (Befüllung des Grabens A mit elektrisch isolierender Paste) eingespart und damit die Produktionskosten gesenkt.
Beispiel für Aspekt B:
Das Beispiel wird anhand der beschrieben.
Anwendung der Prozessabfolge zum Bau einer beispielhaft 5 cm × 5 cm großen Einheit aus untereinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen.
Ausgangspunkt ist der in der Beispielbeschreibung zu Aspekt A erläuterte Schichtaufbau und Schichtherstellung.
Das mit den oben genannten Beschichtungen versehene Polyimidband wird beispielhaft auf eine Größe von 5 cm × 5 cm zurechtgeschnitten und ist nun Ausgangspunkt für die Strukturierung der Schichten und die anschließende Reihenverschaltung. Die 5 cm × 5 cm große beschichte Polyimidfolie wird wie in gezeigt zunächst mit 12 parallelen Strukturierungen versehen, wobei je zwei Strukturierungen gruppiert angeordnet werden. Die Abfolge der Strukturierungslinien (vgl. ) ist BCBC... usw. Begonnen wird mit der Strukturierung B. Diese wird beispielhaft mechanisch mittels Reißnadel durchgeführt. Die Reißnadel selbst wird auf einem x-y-z-Tisch befestigt und ist computergestützt gesteuert Abhängig von den Materialeigenschaften der Schichten 3, 4 und 5 werden die Bearbeitungsparameter der Reißnadel (wie z. B. Radius der Nadelspitze, Anpresskraft der Nadelspitze, Verfahrgeschwindigkeit der Spitze und Anzahl der Überfahrten der Spitze) so angepasst dass die Schichten 3, 4 und 5 vollständig entlang der Strukturierungslinie entfernt werden ohne die Schicht 2 dabei zu zerstören. Die Länge der Strukturierungslinie beträgt in diesem Fall 5 cm (Länge des beschichteten Substrates). Die Breite der Linie wird im Wesentlichen durch den Radius der Nadelspitze bestimmt. In diesem Beispiel lag die Linienbreite bei 70 μm; andere typische Linienbreiten liegen bei etwa 10 bis 100 μm.
Nach Abschluss der Strukturierung B erfolgt die Strukturierung C. Diese erfolgt parallel zur Strukturierung B um 300 μm versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50–500 μm liegen. Strukturierung C wird beispielhaft ebenfalls mittels Reißnadel durchgeführt. Abweichend zur Strukturierung B wurden die Parameter nun so angepasst, dass zusätzlich zu den Schichten 3, 4 und 5 auch die Schicht 2 durchtrennt wird.
Ist Strukturierungsschritt C beendet, werden die soeben beschriebenen Strukturierungsschritte B und C wiederholt, wobei diese nächste Strukturierungsgruppe parallel zur ersten Gruppe um etwa 7,5 mm versetzt durchgeführt wird. Die dritte Strukturierungsgruppe wird dann wiederum um 7 mm gegenüber der zweiten Gruppe versetzt und so weiter. Insgesamt werden 6 Gruppen mit je 2 Strukturierungslinien gesetzt (vgl. ). Es soll erwähnt werden dass der Abstand der Strukturierungsgruppen zwischen 3 und 15 mm liegen kann und u. a. von den elektrischen Eigenschaften des Frontkontaktes und dem Abstand sowie der Breite der Gräben B und C abhängt. Ebenso können auch zuerst alle Strukturierungsschritte für den Graben B auf dem 5 cm Substrat und danach der Strukturierungsschritt C oder in jeder anderen beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Nach Abschluss aller Strukturierungslinien erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben.
Zunächst werden die Gräben C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste unter Zuhilfenahme eines computergesteuerten Dispensers auf einem x-y-z Tisch verfüllt (vgl. ). Die Verfüllung hat dabei so zu erfolgen, dass keine elektrisch isolierende Paste in den Graben B läuft und diesen verschließt. Darüber hinaus muss die Verfüllung der Gräben C mit elektrisch isolierender Paste lückenlos erfolgen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da diese anschließend von einer elektrisch leitfähigen Paste überdeckt werden wird, welche ihrerseits dann bei einem unvollständig isolierten Graben C in diesen eindringen kann und somit zum Kurzschluss zweier Segmente führen kann. Elektrisch isolierende Polymerpasten sind kommerziell von verschiedenen Herstellern erhältlich. Die Liniendicke der aufgetragenen Paste ist zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Typische Linienbreiten liegen im Bereich von 1500 bis 300 μm. Die Verfüllung der Gräben hat dabei über die gesamte Länge der Gräben (in diesem Fall 5 cm) zu erfolgen. Nachdem die Gräben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wurde, muss die Paste entsprechend der Herstellerangaben mittels Umlufttrockenofen oder IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet werden.
Nach dem Aushärten der isolierenden Paste kann die Verfüllung aller Gräben B mit einer elektrisch leitfähigen Paste unter Zuhilfenahme eines Dispensers erfolgen (vgl. ). Auch hier ist die Liniendicke zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Der Auftrag der elektrisch leitfähigen Paste muss dabei so durchgeführt werden, dass die elektrisch leitfähige Paste in jedem Fall über die isolierende Verfüllung des Grabens C hinaus geführt wird um somit eine Kontaktierung der Frontkontaktschicht des folgenden Segmentes zu garantieren. Typische Linienbereiten der elektrisch leitfähigen Verfüllungen liegen bei 400 bis 700 μm und hängt u. a. von dem Abstand der Gräben B und C ab. Elektrisch leitfähige Paste ist von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Nachdem alle Gräben B mit elektrisch leitfähiger Paste verfüllt worden sind, wird die Paste je nach Herstellerangaben im Umlufttrockenofen oder mit IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet.
Ist die elektrisch leitfähige Paste ausgehärtet, kann die Strukturierung A erfolgen. Strukturierung A wird dabei links ( ) von der Verfüllung des Grabens B gesetzt. Die Strukturierung A wird beispielhaft mechanisch mithilfe einer Reißnadel durchgeführt. Strukturierung A soll zum einen so dicht wie möglich an die Verfüllung des Grabens B heranreichen. Zum anderen ist es dabei vorteilhaft, den Verlauf der Strukturierung A an die Konturen der Verfüllung des Grabens B anzupassen. Hierfür ist es notwendig, die Konturen der Verfüllung des Grabens B zu erkennen und auszuwerten. Dies lässt sich mithilfe eines Kamerasystems, welches ebenfalls auf einem x-y-z-Tisch befestigt wurde samt optischer Auswertung realisieren. Liegen die Daten der Kontur der Verfüllung vor, kann der Lauf der Reißnadel für die Strukturierung A so angepasst werden, dass die optischen Verluste (durch Abtrennen solaraktiver Fläche) minimiert werden.
Abwandlungen zur erfindungsgemäßen Prozessabfolge
Alle Strukturierungen können auch mittels Laser oder photolithographisch in Kombination mit einer Ätztechnologie (nasschemisch oder vakuum-basierende Trockenätzverfahren) erfolgen. Ebenso ist eine Kombination aller genannten Methoden möglich.
Generell können Schichtpakete mit der erfindungsgemäßen Methode verschaltet werden, die sich sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten befinden. Das Substrat kann dabei elektrisch isolierend oder elektrisch leitend sein.
Im Falle eines elektrisch leitfähigen Substrates (z. B. Metallfolie) muss auf diesem Substrat eine elektrisch isolierende Schicht (also zwischen Substrat (1) und Rückkontaktschicht (2)) aufgetragen werden um eine Kurzschluss der Einzelsegmente über deren Rückkontaktschichten zu vermeiden, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Funktion der späteren Verschaltung führen würde. Die Parameter der Strukturierung C können hier so gewählt werden, dass die elektrisch isolierende Schicht abgetragen wird oder auf dem Substrat verbleibt, entscheidend ist, dass die Rückkontaktschicht vollständig durchtrennt wird.
Das Verfüllen der Gräben A und C mit elektrisch isolierender Polymerpaste kann auch durch eine Beschichtung mit einem elektrisch isolierenden Material (z. B. SiOx) mittels Vakuumabscheidung oder galvanischer Abscheidung ersetzt werden.
Das Verfüllen des Grabens B mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste kann auch durch Beschichtung mit einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Silber) mittels Vakuumabscheidung oder galvanischer Abscheidung ersetzt werden.
Generell ist es auch möglich, zum Verfüllen der Gräben A, B und C die Verfahren zum Auftragen einer Polymerpaste mit den Methoden der Vakuumabscheidung und der galvanischen Abscheidung zu kombinieren.
Die Strukturierungsschritte A, B und C können prinzipiell so dicht gesetzt werden, das zwischen den strukturierten Gräben keine Schichtpakete mehr vorhanden sind (vgl. 10(i)). In dieser erfindungsgemäßen Ausführung wird der Strukturierungsschritt für den Graben A und den Graben B durch einen einzigen Strukturierungsschritt ersetzt. Dies hat neben der Reduzierung der Herstellkosten auch den Vorteil, dass die inaktive Fläche der Solarzelle verringert wird und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle vergrößert wird.
Ebenfalls ist es auch hier möglich, einen weiteren Produktionsschritt zu Verfüllungen mit elektrisch isolierender Polymerpaste wegzulassen (vgl. , analog zu ). Es können aber auch nur 2 der Gräben so dicht gesetzt werden, dass keine Schichtstapel zwischen den Linien verbleiben (vgl. ).
Die Verfüllung der Gräben mit elektrisch isolierender und elektrisch leitfähiger Paste kann außer mit einem Dispenser auch mittels Siebdruck, Schablonendruck, Ink-Jet oder Aufsprüh-Verfahren (unter der Verwendung von Masken) durchgeführt werden. Generell ist auch eine Kombination der einzelnen genannten Verfahren denkbar.
Neben elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Pasten auf Polymerbasis können auch Pastensysteme auf der Basis von Silikon oder Acrylat verwendet werden.
Zusätzlich zur Verfüllung der Strukturierung B mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste kann diese z. B. in Form von einzelnen Kontaktfingern weiter auf die aktive Solarzellfläche aufgetragen werden um somit die Leitfähigkeit der Frontkontaktschicht zu unterstützen, wodurch die Abstände der Einzelsegmente untereinander vergrößert werden können und somit nach einer Optimierung aus Serienwiderstandsverlusten und Abschattung solaraktiver Flächen ein Maximum an solaraktiver Fläche erreicht werden kann (vgl. ).
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell auf jeden Typ der Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Substrat anwenden. Folgende Typen dienen als Beispiel

• Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Gallium-Diselenid (bzw. Selen substituiert durch Schwefel)
• Amorphes Silizium
• Cadmium-Tellurid
• Mikrokristallines Silizium
• Gallium-Arsenid

Bezugszeichenliste

1: Substrat, Träger
2: Rückkontakt (z. B. metallische Schicht)
3: photoaktive Schicht, Absorberschicht
4: Pufferschichten
5: Tunnelkontakt und transparente Vorderseitenelektrode (z. B. elektrisch leitfähiges Oxid)
6: elektrisch isolierende Schicht (z. B. elektrisch isolierende Polymerpaste)
7: elektrisch leitfähige Schicht (z. B. Polymerpaste gefüllt mit metallischen Partikeln)
8: Kontaktfinger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5593901 [0003]
WO 2008/157807 A2 [0004]

Claims

Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes, dadurch gekennzeichnet, dass das auf starrem oder flexiblem Substrat aufgebrachte Schichtpaket entsprechend mit drei Gräben A, B, C unterteilt wird, wobei die Gräben A und B in das Schichtpaket bis zum Rückkontakt eingebracht werden, der Graben C bis zum Substrat geführt wird, die Gräben A und C elektrisch isolierend gestaltet werden, der Graben B elektrisch leitfähig gestaltet wird und die Zellsegmente verschaltet werden.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strukturierung des Schichtpaketes der Dünnschichtsolarzelle bezüglich der Gräben A und B dieselben Parametersätze verwendet werden.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einer Reißnadel, mit Laserstrahlen oder photolithographisch erfolgt.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben mit elektrisch leitender oder elektrisch isolierender Paste verfüllt werden.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Pastensysteme auf Polymerbasis oder auf der Basis von Silikon oder Acrylat eingesetzt werden.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verfüllen der erzeugten Gräben mit elektrisch leitfähiger oder elektrisch isolierender Paste ein Dispenser mit druckbeaufschlagter Kartusche oder mit Spindelventil oder mit Jetventil eingesetzt wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllen der Gräben mittels Siebdruck, Schablonendruck, Ink-Jet oder Aufsprühverfahren unter Verwendung einer Maske vorgenommen wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Wirkung eines Grabens durch Vakuumabscheidung oder galvanische Abscheidung eines elektrisch isolierenden Materials erreicht wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, 4, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Methoden zur Einbringung einer isolierenden Schicht in die zwei zu verfüllenden Gräben kombiniert werden, indem Graben A mit Pastenauftrag mittels Dispenser, Graben C mit SiOx mittels Vakuumabscheidung behandelt werden.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung im Graben, die die Rückkontaktschicht eines Segmentes mit der Frontkontaktschicht eines folgenden Segmentes verbindet, durch Vakuumabscheidung oder galvanische Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Materials erreicht wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Polymerpaste so weit über die nicht leitfähige Verfüllung des Grabens C hinausreicht, dass eine elektrische Kontaktierung der Frontkontaktschicht möglich ist.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Polymerpaste als Kontaktfinger auf die aktive Solarzellenfläche aufgetragen wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger aus einem anderen leitfähigen Material als die elektrische leitfähige Polymerpaste besteht.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtpaket entsprechend mit drei Gräben A, B, C unterteilt wird, wobei der Graben B bis zum Rückkontakt und der Graben C bis zum Substrat geführt wird, der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wird, der Graben B mit elektrisch leitfähiger Paste dergestalt verfüllt wird, dass über seine Verfüllung hinaus der Graben C überdeckt wird und der Graben A erst anschließend eingebracht wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtpaket entsprechend mit zwei Gräben B, C unterteilt wird, wobei der Graben B bis zum Rückkontakt und der Graben C bis zum Substrat geführt wird, der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wird, der Graben B mit elektrisch leitfähiger Paste dergestalt verfüllt wird, dass über seine Verfüllung hinaus der Graben C überdeckt wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die linke Seite des Grabens B zusätzlich mit einer isolierenden Paste befüllt wird.
Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nachträgliche ein Graben A durch das Schichtpaket bis zum Rückkontakt eingebracht wird.