DE102010030884A1 - Depositing a buffer layer on a copper indium selenide/sulfide (CIS) absorber layer of a CIS-thin layer solar cell comprises providing a solar cell slug, rinsing and treating it with an aqueous solution of a sulfur-donating substance - Google Patents
Depositing a buffer layer on a copper indium selenide/sulfide (CIS) absorber layer of a CIS-thin layer solar cell comprises providing a solar cell slug, rinsing and treating it with an aqueous solution of a sulfur-donating substance Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer Pufferschicht auf einer CIS-Dünnschicht-Solarzelle und eine nach dem Verfahren hergestellte CIS-Dünnschicht-Solarzelle.The invention relates to a method for depositing a buffer layer on a CIS thin-film solar cell and a CIS thin-film solar cell produced by the method.
Stand der Technik und Hintergrund der ErfindungPrior art and background of the invention
Obwohl die Photovoltaik als Markt in den letzten Jahren beinahe exponentiell angewachsen ist, beträgt ihr Beitrag zum Primärenergieverbrauch weltweit noch keine 2%. Ein Weg, diesen Prozentsatz weiter zu vergrößern und die Kosten der solaren Stromerzeugung auf das Niveau der klassischen, nicht-regenerativen Stromerzeugungstechnologien zu senken, besteht darin, statt der üblichen kristallinen Silizium-Zellen eine der drei derzeit produktionsreifen Dünnschicht-Technologien einzusetzen: aSi (amorphes Silizium), CdTe (Cadmiumtellurid) oder CIS (Kupfer-Indium-Selenid/Sulfid). Die Herstellung von Chalkopyrit-Zellen (CIS-Solarzellen) bedarf allerdings noch an einigen Punkten der Verbesserung, um die Voraussetzungen für eine großtechnische und kostengünstige Zellenproduktion zu erfüllen.Although photovoltaics as a market has grown almost exponentially in recent years, its contribution to primary energy consumption worldwide is still less than 2%. One way to further increase this percentage and reduce the cost of solar power generation to the level of traditional, non-renewable electricity generation technologies is to use one of the three currently production-ready thin-film technologies instead of the usual crystalline silicon cells: aSi (amorphous Silicon), CdTe (cadmium telluride) or CIS (copper indium selenide / sulfide). However, the production of chalcopyrite cells (CIS solar cells) still needs some improvement in order to meet the requirements for large-scale and cost-effective cell production.
Eine CIS-Dünnschicht-Solarzelle (oder Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzelle) besteht aus dem auf ein Trägermaterial (Glas, Metall oder Kunststoff) aufgebrachten Halbleiter, auch Absorber genannt, durchaus vergleichbar dem „wafer” bei kristallinen Silizium-Zellen. Silizium-Wafer werden bekanntlich zu Silizium-Solarzellen, indem durch Eindiffundieren bestimmter Elemente ein p/n-Übergang geschaffen wird. Analog dazu entstehen aus den CIS-Absorber-Schichten der Dünnschichttechnik photoelektrisch aktive Solarzellen, indem eine sogenannte Pufferschicht (englisch: buffer, buffer layer) aufgebracht wird. Es versteht sich, dass hierbei, analog dem Dotieren von Silizium-Wafern, der wesentliche Vorgang nicht in der Ablagerung der n-leitenden Puffer-Schicht auf der Oberfläche des p-leitenden Absorbers besteht, sondern im Eindiffundieren von Dotanden aus der Pufferschicht in den Halbleiter. Da Pufferschichten zudem extrem dünn zu sein pflegen – bei Chalkopyrit-Zellen 30–50 Nanometer – wird gelegentlich, statt von einer Schichtabscheidung, auch von einer „Tauchdotierung” gesprochen.A CIS thin-film solar cell (or chalcopyrite thin-film solar cell) consists of the on a support material (glass, metal or plastic) applied semiconductor, also called absorber, quite comparable to the "wafer" in crystalline silicon cells. Silicon wafers are known to become silicon solar cells by creating a pn junction by diffusing certain elements. Analogously, photoelectrically active solar cells are formed from the CIS absorber layers of thin-film technology by applying a so-called buffer layer (buffer layer). It is understood that in this case, analogous to the doping of silicon wafers, the essential process does not consist in the deposition of the n-type buffer layer on the surface of the p-type absorber, but in the diffusion of dopants from the buffer layer into the semiconductor , In addition, since buffer layers tend to be extremely thin - in chalcopyrite cells 30-50 nanometers - occasionally, instead of a layer deposition, also spoken of a "dip doping".
Die typische Zusammensetzung einer Pufferschicht besteht aus einem Gemisch aus Metallhydroxid, Metallhydroxysulfid und Metallsulfid, wobei durch entsprechende Variation der Abscheidungsparameter (z. B. durch eine von 20°C auf 60°C ansteigende Temperatur der Reaktionslösung) dafür gesorgt wird, dass die Pufferschicht einen Gradienten aufweist, beginnend mit dem Metallhydroxid direkt auf der Absorber-Oberfläche und endend mit dem Sulfid als Kontakt zur nachfolgenden Schicht, in der Regel der Fensterschicht (auch TCO „transmittend conductive oxid” genannt). Als Metall der Pufferschicht wird wahlweise Cadmium (Cd), Indium (In), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) eingesetzt.The typical composition of a buffer layer consists of a mixture of metal hydroxide, metal hydroxysulfide and metal sulfide, whereby by appropriate variation of the deposition parameters (eg by increasing the temperature of the reaction solution from 20 ° C to 60 ° C), the buffer layer is provided with a Gradients, starting with the metal hydroxide directly on the absorber surface and ending with the sulfide as a contact to the subsequent layer, usually the window layer (also called TCO "transmissive conductive oxide"). Cadmium (Cd), indium (In), zinc (Zn) or tin (Sn) is optionally used as the metal of the buffer layer.
Es wird deutlich, dass der Mechanismus zur Abscheidung der Pufferschicht sehr komplex ist und den Einsatz von Nasschemie erfordert. Die Eigenschaften der erzeugten Pufferschicht entscheiden ebenso über die Effizienz der kompletten Solarzelle, wie das darunter befindliche Halbleiter-Material.It becomes clear that the mechanism for depositing the buffer layer is very complex and requires the use of wet chemistry. The properties of the generated buffer layer also determine the efficiency of the entire solar cell, as well as the underlying semiconductor material.
Konkret verläuft bei Chalkopyrit-Solarzellen die Pufferschicht-Abscheidung weltweit nahezu einheitlich nach einem Verfahren, das abgekürzt als CdS-CBD bezeichnet wird (Cadmiumsulfid – Chemische Bad Deposition). Das klassische Pufferschicht-Abscheide-Verfahren verläuft im Prinzip wie folgt:
Eine wässrige, ammoniakalische Lösung eines Cadmium-Salzes, beispielsweise Cadmiumacetat, wird vermischt mit einer ebenfalls alkalischen, wässrigen Lösung eines Schwefelträgers, beispielsweise von Thioharnstoff. Ein Behälter wird mit einem möglichst hohen Oberflächen-/Volumenverhältnis mit Chalkopyrit-Absorber-Zellen und mit dem vorgenanntem Gemisch von Flüssigkeiten befüllt und während eines Zeitraums von ca. 10 min auf etwa 60°C erwärmt. In diesem Zeitraum wird in einer temperaturgesteuerten Oberflächenreaktion Metallhydroxid, dann Metallhydroxysulfid und schließlich Metallsulfid auf dem Absorber aber auch auf allen anderen Oberflächen abgeschieden. Parallel findet in der Reaktionslösung des klassischen CBD eine Volumenreaktion statt, die zur Bildung von Metallsulfid-Partikeln in der Lösung („Ausflockung”) und somit zu deren Verbrauch führt. Nach dem Prozessablauf muss das Flüssigkeitsgemisch somit verworfen oder aufbereitet werden, es ist nicht etwa mehrfach benutzbar.Specifically, in chalcopyrite solar cells, the buffer layer deposition is almost uniform worldwide by a method which is abbreviated as CdS-CBD (cadmium sulfide - chemical bath deposition). The classical buffer layer deposition process proceeds in principle as follows:
An aqueous, ammoniacal solution of a cadmium salt, for example cadmium acetate, is mixed with a likewise alkaline, aqueous solution of a sulfur carrier, for example of thiourea. A container is filled with as high a surface / volume ratio as possible with chalcopyrite absorber cells and with the aforementioned mixture of liquids and heated to about 60 ° C. over a period of about 10 minutes. During this period, metal hydroxide, then metal hydroxysulfide and finally metal sulfide are deposited on the absorber but also on all other surfaces in a temperature-controlled surface reaction. In parallel, a volume reaction takes place in the reaction solution of the classical CBD, which leads to the formation of metal sulfide particles in the solution ("flocculation") and thus to their consumption. After the process, the liquid mixture must therefore be discarded or processed, it is not about multiple times usable.
Die Materialausbeute der geschilderten CdS-CBD-Verfahrens beträgt üblicherweise weniger als 10%, d. h. über 90% des giftigen Schwermetalls Cadmium muss als Abfall entsorgt werden. Typischerweise beträgt die Menge unbrauchbarer Reaktionslösung ca. 15 l/m2, womit bei einer Solarzellenfertigung von 100 MWp/a 22,8 Millionen Liter schwermetallhaltige Flüssigkeit pro Jahr anfallen, nicht gerechnet die Mengen von Wasser bzw. Lösungsmittel zur Reinigung der Zellen-Rückseiten bzw. zur turnusmäßigen Reinigung der Gefäßwandungen.The material yield of the described CdS-CBD process is usually less than 10%, ie over 90% of the toxic heavy metal cadmium must be disposed of as waste. Typically, the amount of unusable reaction solution is about 15 l / m 2 , which results in a solar cell production of 100 MWp / a 22.8 million liters of heavy metal-containing liquid per year, not counting the amounts of water or solvent to clean the cell backs or for regular cleaning of the vessel walls.
Der beschriebene, klassische CdS-CBD-Prozess kann ferner, wegen der „Abnutzung” der Reaktionsflüssigkeit und dem erforderlichen Temperaturanstieg während des Prozessablaufs, nur schlecht für die Fertigung von Bandzellen geeignet gemacht werden, für Zellen also, deren Absorber auf endlose Metall- oder Kunststoff-Folienbänder abgeschieden ist.Furthermore, because of the "wear" of the reaction liquid and the required temperature rise during the course of the process, the described classical CdS-CBD process can only be made poorly suitable for the production of ribbon cells, ie for cells whose absorbers are based on endless metal or plastic Foil tapes is deposited.
Soweit dennoch eine klassische Pufferschicht-Abscheidung an Bändern im roll-to-roll-Verfahren stattfinden soll, wird das CIS-Band in einer schrägen Rinne aufwärts geführt, wobei der Boden der Rinne auf ansteigend von 20 bis 60°C erwärmt ist, während das CIS-Band hiermit in thermischem Kontakt steht und die bereits vermischte Reaktionsflüssigkeit ihm entgegen fließt („Rinnenverfahren”). Die Verbrauchsmengen liegen hier bei 50 l/m2 Cd-haltiger Flüssigkeit, also nochmals erheblich höher als beim stationären CdS-CBD. Da der Prozess nicht in einem definierten Flüssigkeitsvolumen stattfindet, ist beim Rinnenverfahren zudem eine ortsaufgelöste Kontrolle des CBD-Reaktionsablaufs nahezu unmöglich. As far as a classic buffer layer deposition on tapes roll-to-roll process to take place, the CIS band is guided in an oblique groove upwards, the bottom of the channel is heated to increasing from 20 to 60 ° C, while the CIS tape hereby is in thermal contact and the already mixed reaction liquid flows towards it ("channel process"). The consumption amounts are here with 50 l / m 2 Cd-containing liquid, thus again considerably higher than with the stationary CdS CBD. Since the process does not take place in a defined volume of liquid, a spatially resolved control of the CBD reaction process is almost impossible in the channel process.
Vom Prinzip her wesentlich besser bandgeeignet und mit sehr viel geringerem Schadstoff-Anfall arbeitet das sogenannte ILGAR-Verfahren (Ion Layer Gas Reaction):
- – Die Chalkopyrit-Zelle, fertig prozessiert inklusive Absorberschicht (CIS-Halbleiter), wird durch Tauchen oder Besprühen mit einer Metallsalzlösung benetzt (
Schritt 1, Adsorption). - – Die feuchte Zelle wird unter Schutzgas getrocknet (Schritt 2, Trocknung).
- – Die Schwefelverbindung entsteht, indem die in Schritt 2 getrocknete Zelle einige Sekunden bei erhöhter Temperatur einer Schwefelwasserstoff-Atmosphäre ausgesetzt wird (
Schritt 3, Sulfurisierung).
- - The chalcopyrite cell, finished processed including absorber layer (CIS semiconductor), is wetted by dipping or spraying with a metal salt solution (
step 1, adsorption). - - The moist cell is dried under inert gas (step 2, drying).
- The sulfur compound is formed by exposing the cell dried in step 2 to a hydrogen sulfide atmosphere at elevated temperature for a few seconds (
step 3, sulfurization).
Da die so entstehende Dicke der Metallsulfid-Schicht nur wenige nm beträgt, muss der geschilderte dreistufige Prozess zur Herstellung der Pufferschicht bei CIS-Zellen bis zu 20mal wiederholt werden, was der Anwendbarkeit bei der großtechnischen Fertigung von CIS-Zellen Grenzen setzt. Davon abgesehen, kann das ILGAR-Verfahren, insbesondere in seiner Sprüh-ILGAR-Variante, durchaus als bandgeeignet angesehen werden.Since the resulting thickness of the metal sulfide layer is only a few nm, the described three-stage process for producing the buffer layer in CIS cells must be repeated up to 20 times, which limits the applicability in the large-scale production of CIS cells. Apart from that, the ILGAR process, in particular in its spray ILGAR variant, can certainly be regarded as suitable for use as a tape.
Vorteilhaft ist, dass keine Vermischung der Kationen- und schwefelhaltigen Reaktionskomponente stattfindet. Die enormen Abwassermengen des klassischen CBD beim ILGAR entfallen also.It is advantageous that no mixing of the cation- and sulfur-containing reaction component takes place. The enormous wastewater volumes of the classic CBD at ILGAR are therefore eliminated.
Ein weiterer Vorteil des ILGAR ist es, dass anstelle von Cd-Verbindungen vornehmlich andere, weniger giftige Metalle, z. B. Indium oder Zink, sulfurisiert oder oxidiert werden. Verständlicherweise gibt es Bestrebungen bei der CIS-Zellen-Herstellung grundsätzlich auf Cadmium in der Pufferschicht zu verzichten. Obwohl die in den Modulen verwendeten Mengen verschwindend klein sind, beträgt die Schichtdicke nur etwa 50 nm.Another advantage of the ILGAR is that instead of Cd compounds mainly other, less toxic metals, eg. As indium or zinc, sulfurized or oxidized. Understandably, there are efforts in the CIS cell production basically to dispense with cadmium in the buffer layer. Although the amounts used in the modules are negligibly small, the layer thickness is only about 50 nm.
Von dem Nachteil zahlreicher Prozesszyklen abgesehen, stößt auch die Verwendung von Schwefelwasserstoff wegen seiner Giftigkeit auf Ablehnung gegenüber der Verwendung von ILGAR als großtechnische Methode zur Abscheidung der Pufferschicht bei Chalkopyrit-Zellen.Apart from the disadvantage of numerous process cycles, the use of hydrogen sulfide, because of its toxicity, also disagrees with the use of ILGAR as a large-scale method for depositing the buffer layer on chalcopyrite cells.
Zur Abscheidung dünner Metallsulfidverbindungen wird in jüngster Zeit auch das sogenannte SILAR-Verfahren (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) vorgeschlagen. Ebenso wie ILGAR, läuft dieses Verfahren in drei Stufen ab, die üblicherweise ca. 20mal durchlaufen werden, wobei aber für die Schwefelreaktion in Schritt 3 kein Gas, sondern eine wässrige Lösung des Schwefelträgers Verwendung findet.For the deposition of thin metal sulfide compounds, the so-called SILAR process (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) has recently been proposed. Like ILGAR, this process is carried out in three stages, which are usually run about 20 times, but for the sulfur reaction in
Im Unterschied zum „klassischen CBD-Verfahren” existiert für das SILAR-Verfahren nur eine begrenzte Anzahl von Veröffentlichungen und keine Praxisberichte, so dass von einem „SILAR-Standardverfahren” derzeit nicht die Rede sein kann. Soweit vorveröffentlicht, dürfte mit „SILAR” in der Regel folgendes Vorgehen zur Pufferschicht-Abscheidung gekennzeichnet sein:
- – Schritt 1 (Adhäsion) entspricht weitgehend dem
Schritt 1 des ILGAR, indem der fertige Absorber einer CIS-Zelle in eine wässrige Lösung eines Metallsalzes (z. B. Cd oder Zn-Acetat) getaucht wird. DasBad 1 ist üblicherweise stark alkalisch eingestellt (pH 10 bis 12) und wird bei ca. 50°C betrieben. Die übliche Verweildauer im Bad liegt dabei bei mehr als 5 min, die bekannt gewordene Konzentration von Cd-Salz bei 12,5 mmol/l. - – Schritt 2 besteht in einer gründlichen Spülung der Probe, wobei in aller Regel destilliertes Wasser Verwendung findet. Der Grund für eine Spülung ist, anders als die Trocknung in Schritt 2 des ILGAR, alle Metallverbindungen von der Zelle abzuwaschen, die nicht durch Adsorption fest und gleichmäßig verteilt mit der Absorber-Oberfläche verbunden sind.
- –
Schritt 3 des SILAR besteht im Eintauchen der Probe in eine wässrige Lösung eines Schwefelträgers, üblicherweise Natriumsulfid. Die übliche Konzentration ist hierbei 50 mmol/l, die übliche Bad-Temperatur 30°C, der pH-Wert 5 und die übliche Verweildauer mehr als 10 min.
- Step 1 (adhesion) is broadly similar to
step 1 of the ILGAR in that the final absorber of a CIS cell is immersed in an aqueous solution of a metal salt (eg, Cd or Zn acetate). Thebath 1 is usually highly alkaline (pH 10 to 12) and is operated at about 50 ° C. The usual residence time in the bath is more than 5 minutes, the known concentration of Cd salt at 12.5 mmol / l. - - Step 2 consists in a thorough rinsing of the sample, distilled water is usually used. The reason for a rinse, unlike the drying in step 2 of the ILGAR, is to wash off any metal compounds that are not firmly and evenly distributed to the absorber surface by adsorption.
-
Step 3 of the SILAR consists of immersing the sample in an aqueous solution of a sulfur carrier, usually sodium sulfide. The usual concentration here is 50 mmol / l, the usual bath temperature 30 ° C, thepH 5 and the usual residence time more than 10 min.
Das SILAR-Verfahren beinhaltet zwei Vorteile:
- – Durch die Trennung der reaktiven Komponenten ist die Nutzungsdauer der Flüssigkeitsbäder nicht kurzzeitlich begrenzt, es fallen also, im Gegensatz zum klassischen CBD-Verfahren keine großen Mengen verbrauchter, cadmiumhaltiger Reaktionsflüssigkeit an.
- – Die Parameter (Temperatur, Konzentration, pH-Wert, etc.) der aufeinander folgenden Zyklen können unterschiedlich eingestellt werden, so dass in Anlehnung an den Reaktionsverlauf beim klassischen CBD zunächst Metallhydroxid, dann Metallhydroxysulfid und schließlich Metallsulfid auf dem durchlaufenden Zellen-Band abgeschieden/erzeugt wird.
- - Due to the separation of the reactive components, the useful life of the liquid baths is not limited in the short term, so it fall, in contrast to the classical CBD process no large amounts of spent, cadmium-containing reaction liquid.
- - The parameters (temperature, concentration, pH, etc.) of the successive cycles can be set differently, so that based on the course of reaction in the classical CBD first metal hydroxide, then metal hydroxysulfide and finally metal sulfide deposited / generated on the continuous cell band.
Ebenso wie beim ILGAR werden jedoch auch beim SILAR die drei genannten Prozessschritte solange wiederholt, bis sich eine ausreichend dicke Schicht des Metallsulfids gebildet hat. Mit den vorgenannten Konzentrationen und Temperaturen, wie sie in der Literatur beschrieben sind, wird eine Gesamt-Verweildauer von etwa 20 min in den Bädern und etwa 20 Zyklen benötigt. Bei Bandgeschwindigkeiten von 2 m/min würde dies eine Anlage von 800 m Länge erforderlich machen. Zu beachten ist, dass nicht die Dicke, sondern Homogenität und Phasenreinheit der abgeschiedenen Metallsulfid-Schicht, die Eignung der erzeugten Schicht als Pufferschicht einer CIS-Solarzelle bestimmt, d. h. insbesondere den Einfluss der Pufferschicht auf den photoelektrischen Wirkungsgrad der erzeugten Solarzelle.However, as with the ILGAR, the three process steps mentioned in SILAR are repeated until a sufficiently thick layer of the metal sulfide has formed. With the aforementioned concentrations and temperatures, as described in the literature, a total residence time of about 20 minutes in the baths and about 20 cycles is needed. At belt speeds of 2 m / min, this would require an installation of 800 m length. It should be noted that it is not the thickness but homogeneity and phase purity of the deposited metal sulfide layer which determines the suitability of the layer produced as a buffer layer of a CIS solar cell, ie. H. in particular the influence of the buffer layer on the photoelectric efficiency of the solar cell produced.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abscheidung einer Pufferschicht auf einer CIS-Dünnschicht-Solarzelle versucht einen oder mehrere der bestehenden Probleme des Standes der Technik zu beheben oder zumindest zu mindern. Insbesondere soll mit Blick auf eine Bandeignung des Prozesses die Anzahl der Zyklen im Vergleich zum geschilderten SILAR-Verfahren möglichst gering gehalten werden. Die Eigenschaften der Pufferschicht sollten jedoch nicht verschlechtert werden.The inventive method for depositing a buffer layer on a CIS thin-film solar cell attempts to overcome or at least mitigate one or more of the existing problems of the prior art. In particular, the number of cycles should be kept as low as possible compared to the described SILAR method with a view to a tape suitability of the process. However, the properties of the buffer layer should not be degraded.
Ein erster Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Abscheidung einer Pufferschicht, die ein oder mehrere Sulfide aus der Gruppe der Metalle Cd, In, Mg, Sn und Zn, auf einer CIS-Absorber-Schicht einer CIS-Dünnschicht-Solarzelle, enthält. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Bereitstellen eines Solarzellenrohlings mit einer auf einem Substrat aufgebrachten CIS-Absorber-Schicht;
- b) Behandeln des Solarzellenrohlings bei 30°C bis 90°C mit einer wässrigen, alkalischen Adsorberlösung, die wenigstens ein Salz eines Metalls aus der Gruppe Cd, In, Mg, Sn und Zn mit einer Konzentration
im Bereich von 1 bis 50 mmol/l enthält; - c) Spülen des Solarzellenrohlings mit einer wässrigen, alkalischen Spüllösung;
- d) Behandeln des Solarzellenrohlings bei 30°C bis 90°C mit einer wässrigen Lösung einer schwefelspendenden Substanz mit einer Konzentration im Bereich von 30 bis 120 mmol/l; und
- e) gegebenenfalls mehrfaches zyklisches Wiederholen der Abfolge der Schritte b) bis d) bis sich die Pufferschicht vollständig ausgebildet hat.
- a) providing a solar cell blank with a CIS absorber layer applied to a substrate;
- b) treating the solar cell blank at 30 ° C to 90 ° C with an aqueous, alkaline adsorber solution containing at least one salt of a metal from the group Cd, In, Mg, Sn and Zn in a concentration in the range of 1 to 50 mmol / l contains;
- c) rinsing the solar cell blank with an aqueous, alkaline rinse solution;
- d) treating the solar cell blank at 30 ° C to 90 ° C with an aqueous solution of a sulfur-donating substance having a concentration in the range of 30 to 120 mmol / l; and
- e) optionally multiple cyclic repeating the sequence of steps b) to d) until the buffer layer has completely formed.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach im Schritt a) zunächst eine übliche Bereitstellung eines mit dem CIS-Absorber beschichteten Solarzellenrohlings vor. Dieser Rohling ist vorzugsweise ein mit der CIS-Absorber-Schicht beschichtetes durchlaufendes Band. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise für die Pufferabscheidung an Bändern im roll-to-roll-Verfahren.Accordingly, the method according to the invention initially provides a conventional provision of a solar cell blank coated with the CIS absorber in step a). This blank is preferably a continuous belt coated with the CIS absorber layer. In other words, the method according to the invention is particularly suitable for the buffer deposition on tapes in a roll-to-roll process.
Im Schritt b) wird der bereitgestellte Solarzellenrohling mit einer wässrigen alkalischen Adsorberlösung in Kontakt gebracht. Bei Temperaturen von 30–90°C, insbesondere 50–90°C, und Konzentrationen der Metallsalze im Bereich von 1–50 mmol/l, insbesondere 10–30 mmol/l, erfolgt eine Abscheidung von Metallsalzen an der Oberfläche der CIS-Absorber-Schicht vornehmlich durch Adsorption. Nach einer bevorzugten Variante enthält die Adsorberlösung ab Schritt b) zusätzlich ein Netzmittel, insbesondere ein Tensid, um eine möglichst homogene Abscheidung zu erreichen. Der Solarzellenrohling kann im Schritt b) direkt in ein Bad der wässrigen, alkalischen Adsorberlösung getaucht werden oder diese wird mittels eines Sprüh- oder Nebelprozesses auf die CIS-Absorber-Schicht aufgetragen. Gegebenfalls kann der Solarzellenrohling vor oder während des Schrittes b) beheizt werden. Die Adsorberlösung enthält vorzugsweise Metallsalze ausgewählt aus einer Gruppe, die Formiate, Acetate, Citrate, Acetonate, Carbamate, p-Toluolsulfonate und Tartrate umfasst.In step b), the provided solar cell blank is brought into contact with an aqueous alkaline adsorber solution. At temperatures of 30-90 ° C, in particular 50-90 ° C, and concentrations of the metal salts in the range of 1-50 mmol / l, in particular 10-30 mmol / l, a deposition of metal salts takes place at the surface of the CIS absorber Layer mainly by adsorption. According to a preferred variant, the adsorbent solution from step b) additionally contains a wetting agent, in particular a surfactant, in order to achieve the most homogeneous possible deposition. The solar cell blank can be dipped directly into a bath of the aqueous, alkaline adsorber solution in step b) or it is applied to the CIS absorber layer by means of a spray or mist process. Optionally, the solar cell blank can be heated before or during step b). The adsorbent solution preferably contains metal salts selected from a group comprising formates, acetates, citrates, acetonates, carbamates, p-toluenesulfonates and tartrates.
Nachfolgend zum Schritt b) wird im Schritt c) mit einer wässrigen, alkalischen Spüllösung anstelle des sonst üblichen destillierten Wassers gewaschen. Hierdurch kann die Bildung von Metallhydroxiden verhindert werden, die in dem nachfolgenden Verfahrensschritt viel schwieriger in ihre Sulfide überführbar sind. Insbesondere ist die Spüllösung eine wässrige ammoniakalische Lösung, d. h. die Spüllösung aus Schritt b) enthält Ammoniak.Subsequent to step b), in step c) is washed with an aqueous, alkaline rinse solution instead of the otherwise usual distilled water. As a result, the formation of metal hydroxides can be prevented, which are much more difficult to convert into their sulfides in the subsequent process step. In particular, the rinse solution is an aqueous ammoniacal solution, i. H. the rinse solution from step b) contains ammonia.
Im Schritt d) erfolgt die Sulfurisierung des zuvor aufgebrachten Metalls durch in Kontakt bringen mit einer wässrigen Lösung einer schwefelspendenden Substanz. Die Umsetzung erfolgt bei 30–90°C, insbesondere 50–90°C, und einer Konzentration der schwefelspendenden Substanz im Bereich von 30–120 mmol/l, insbesondere 60–120 mmol/l. Sowohl Temperatur als auch Konzentration liegen demnach deutlich über dem vergleichbaren SILAR-Verfahren. Vorzugsweise erfolgt im Schritt d) gleichzeitig eine Behandlung mit Ultraschall, insbesondere im Megaherzbereich.In step d), the sulfurization of the previously applied metal is carried out by bringing it into contact with an aqueous solution of a sulfur-donating substance. The reaction is carried out at 30-90 ° C, in particular 50-90 ° C, and a concentration of the sulfur-donating substance in the range of 30-120 mmol / l, in particular 60-120 mmol / l. Both temperature and concentration are therefore clearly above the comparable SILAR process. Preferably, in step d) a treatment with ultrasound, in particular in the megahertz area, takes place at the same time.
Als schwefelspendende Substanzen werden vorzugsweise 2-Mercaptobenzothiazol, 3-Mercaptobenzimidazol, 3-Mercapto-1,2-propandiol, Thioacetamid, Polysulfide, Thiophenderivate, Diisobutylsulfid, Ditetrabutylsulfid, Dichlorbenzolthiol, Diethyldithiocarbamat, Thiocyanat, Thioglykolsäure, Thiocarbamid oder Thioharnstoff eingesetzt.The sulfur-donating substances are preferably 2-mercaptobenzothiazole, 3-mercaptobenzimidazole, 3-mercapto-1,2-propanediol, thioacetamide, polysulfides, thiophene derivatives, diisobutylsulfide, ditetrabutylsulfide, dichlorobenzenethiol, Diethyldithiocarbamat, thiocyanate, thioglycolic acid, thiocarbamide or thiourea used.
Die Schritte b)–d) werden solange sequentiell zyklisch wiederholt, bis sich eine Pufferschicht der gewünschten Dicke und Qualität ausgebildet hat.The steps b) -d) are repeated cyclically sequentially until a buffer layer of the desired thickness and quality has formed.
Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante werden wenigstens 3 Zyklen der Abfolge der Schritte b) bis d) durchfahren, wobei die Prozessparameter in den einzelnen Zyklen derart eingestellt sind, dass
- – das Metall im ersten Zyklus oder den ersten Zyklen überwiegend als Hydroxid abgeschieden wird;
- – das Metall im sich anschließenden Zyklus oder in den sich anschließenden Zyklen überwiegend als Hydroxysulfid abgeschieden wird; und
- – das Metall im abschließenden Zyklus oder den abschließenden Zyklen überwiegend als Sulfid abgeschieden wird.
- - The metal is predominantly deposited as hydroxide in the first cycle or the first cycles;
- - The metal is deposited in the subsequent cycle or in the subsequent cycles predominantly as hydroxysulfide; and
- - The metal is predominantly deposited as a sulfide in the final cycle or cycles.
Gemäß der vorgenannten Verfahrensvariante ist es demnach vorgesehen, dass anfänglich die Reaktionsbedingungen so eingestellt werden, dass vornehmlich Metallhydroxid abgeschieden wird. Mit fortschreitender Zyklenanzahl wird das Gleichgewicht hin zu Bildung von überwiegend Metallhydroxidsulfiden durch Parameterbeeinflussung verschoben. Im letzten oder den letzten Zyklen werden schließlich die Reaktionsbedingungen so vorgegeben, dass sich überwiegend Metallsulfid abscheidet. Dabei ist zu beachten, dass eine Temperatur- als auch eine Konzentrationserhöhung zu einer Erhöhung der Sulfidabscheidung führt. Weiterhin kann mit steigendem pH-Wert ebenfalls die Reaktion zum Sulfid verschoben werden. Schließlich steht als weiterer Steuerparameter für die Abscheidung die Verweilzeit in den einzelnen Zyklen zur Verfügung, wobei üblicherweise mit zunehmender Verweilzeit das Gleichgewicht zu den Metallsulfiden verschoben wird. Nach der bevorzugten Verfahrensvariante sind demnach zumindest 3 Zyklen vorgesehen, die insgesamt zu einer sehr homogenen Pufferschicht führen. Den ersten Untersuchungen zufolge ist das Verfahren sogar Pufferschichten überlegen, die nach herkömmlichen Alternativverfahren abgeschieden werden. Nach dem erfindungsgemäßen Vorgehen beträgt die Anzahl der Zyklen weniger als 10, vorzugsweise beschränkt sich diese auf 3.According to the aforementioned process variant, it is therefore provided that initially the reaction conditions are adjusted so that mainly metal hydroxide is deposited. As the number of cycles progresses, the equilibrium is shifted toward the formation of predominantly metal hydroxides by parameter control. Finally, in the last or last cycles, the reaction conditions are predetermined so that predominantly metal sulfide precipitates. It should be noted that a temperature increase as well as an increase in concentration leads to an increase in the sulfide separation. Furthermore, with increasing pH, the reaction can also be shifted to the sulfide. Finally, as a further control parameter for the deposition, the residence time in the individual cycles is available, whereby the equilibrium with the metal sulfides is usually shifted with increasing residence time. Accordingly, according to the preferred variant of the method, at least 3 cycles are provided, which together lead to a very homogeneous buffer layer. According to the first investigations, the process is even superior to buffer layers deposited by conventional alternative methods. According to the procedure according to the invention, the number of cycles is less than 10, preferably limited to 3.
Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird der Solarzellenrohling während der Durchführung von Schritt b) im Bad bewegt. Insbesondere wird der Solarzellenrohling im Schritt b) und/oder Schritt d) horizontal an der Oberfläche der Adsorberlösung beziehungsweise der Lösung der schwefelspendenden Substanz mit der CIS-Absorber-Schicht nach unten geführt. Die Adsorberlösung beziehungsweise Thioharnstofflösung wird von unten an die CIS-Absorber-Schicht angeströmt und zugleich die Oberseite des Solarzellenrohlings durch Anblasen mit Luft trocken gehalten.According to a further preferred variant of the method, the solar cell blank is moved in the bath during the performance of step b). In particular, the solar cell blank in step b) and / or step d) is guided horizontally downwards on the surface of the adsorber solution or of the solution of the sulfur-donating substance with the CIS absorber layer. The adsorber solution or thiourea solution is flowed from below against the CIS absorber layer and at the same time the top of the solar cell blank is kept dry by blowing air through it.
Durch die gleichmäßige Bad- und/oder Probenbewegung im Schritt b) des Verfahrens kann der Adhäsionsprozess beschleunigt und somit eine sehr gleichmäßige Struktur auf der gesamten CIS-Absorber-Oberfläche erzwungen werden. Durch die besondere Verfahrensführung in den Schritten b) und/oder d) wird sichergestellt, dass sich auf der Bandunterseite eine besonders gleichmäßige Beschichtung ausbildet, andererseits jedoch eine unerwünschte Beschichtung der Bandoberseite vermieden wird.Due to the uniform bath and / or sample movement in step b) of the process, the adhesion process can be accelerated and thus a very uniform structure can be forced on the entire CIS absorber surface. The special process control in steps b) and / or d) ensures that a particularly uniform coating is formed on the underside of the belt, but on the other hand an undesired coating on the upper side of the belt is avoided.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer CIS-Dünnschicht-Solarzelle, die nach dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellt wurde.A further aspect of the invention is the provision of a CIS thin-film solar cell, which was produced by the previously described method.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying drawings. The figures show:
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Solarzellen-Rohlinge
Der Aufbau eines Solarzellen-Rohling
Die Solarzellen-Rohlinge
Die Probe wurde sodann in schwach ammoniakalischem, deionisiertem Wasser bei 30°C gründlich gespült (
Anschließend wurde die Probe horizontal in einer Halterung befestigt, die mit einem Ultraschallgenerator von 12,5 MHz mechanisch verbunden war. Gleichzeitig wurde die Oberseite der Zelle mit ölfreier Druckluft ganzflächig angeblasen. Sodann wurde die Probe auf die Oberfläche der Flüssigkeit aufgelegt und mit der Flüssigkeit von unten laminar angeströmt. Die Reaktionsflüssigkeit bestand aus einer wässrigen Lösung von Thioharnstoff, deren pH-Wert durch Zufügen von Ammoniak basisch eingestellt war. Im ersten Zyklus betrug der pH-Wert 8, die Konzentration lag bei 60 mmol/l, die Temperatur des Bades war auf 50°C konstant geregelt, die Verweildauer betrug 3 Minuten (
Sodann wurde die Probe in deionisiertem Wasser gründlich gespült und durch Anblasen mit Inertgas getrocknet.Then, the sample was thoroughly rinsed in deionized water and dried by blowing with inert gas.
Die Proben wurden sodann einem zweiten und dritten Zyklus nach obenstehender Beschreibung unterworfen, wobei die Temperatur, der pH-Wert und die Verweildauer jeweils erhöht bzw. verlängert wurden (
Abschließend erfolgte eine Prüfung der erzeugten Pufferschicht mit laborüblichen Mitteln. Hierfür wurden per RFA Schichtdicken zwischen 40 und 50 nm festgestellt. Tatsächlich sagen diese an der Schicht möglichen Prüfungen jedoch über die Tauglichkeit der erzeugten Pufferschicht oder besser des erzeugten p/n-Übergangs wenig aus. Die Puffer-beschichteten Rohlinge wurden daher wie üblich zur kompletten Solarzelle fertig prozessiert, indem durch Magnetron-Sputtern eine TCO-Fensterschicht aufgebracht und ein im Wesentlichen aus Silber bestehendes Grid aufgebracht wurde.Finally, an examination of the generated buffer layer was carried out with laboratory-standard agents. For this purpose, layer thicknesses between 40 and 50 nm were determined by RFA. In fact, however, these tests on the layer do not say much about the fitness of the generated buffer layer or, better, the generated p / n junction. The buffer-coated blanks were therefore processed as usual to the complete solar cell finished by applying a TCO window layer by magnetron sputtering and a substantially consisting of silver grid was applied.
Anschließend wurden unter STC (standard test conditions) Wirkungsgrade ermittelt und mit Zellen verglichen, deren Pufferschicht nach dem allgemein üblichen CBD-Verfahren hergestellt wurde. Der Erfolg des erfindungsgemäßen Vorgehens wurde nachgewiesen, indem gleiche, teilweise sogar geringfügig bessere Zellen-Wirkungsgrade an den nach dem Ausführungsbeispiel erzeugten Zellen gemessen wurden.Subsequently, efficiencies were determined under STC (standard test conditions) and compared with cells whose buffer layer was prepared by the generally customary CBD method. The success of the procedure according to the invention was demonstrated by measuring equal, sometimes even slightly better, cell efficiencies on the cells produced according to the exemplary embodiment.
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