DE102012103578A1

DE102012103578A1 - Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle

Info

Publication number: DE102012103578A1
Application number: DE201210103578
Authority: DE
Inventors: Volker Linss; Manfred Schreil
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einer verbesserten Stabilität der Solarzelle unter Einfluss von Wärme und/oder Feuchtigkeit und verbessertem Wirkungsgrad der Solarzelle anzugeben. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Verfahrensschritte Abscheiden einer Metallschicht als elektrischen Rückkontakt über dem Substrat, Abscheiden eines Verbindungshalbleiters als Absorberschicht auf den elektrischen Rückkontakt, Abscheiden einer transparenten Schutzschicht über der Absorberschicht und Abscheiden einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht als Frontkontakt auf die Schutzschicht mittels gepulstem Magnetronsputterverfahren mit einer Pulsfrequenz von mindestens 100 Hz und mit einer Leistungsdichte von mindestens 500 W/cm2 während eines Pulses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle auf Basis eines Verbindungshalbleiters, insbesondere auf Basis eines I-III-VI-Verbindungshalbleiters wie zum Beispiel Kupfer-Indium-Selenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS).
Eine umweltfreundliche und aufwandsgünstige Energieerzeugung ist ein zentrales Problem der heutigen Zeit. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist die Stromgewinnung aus Sonnenlicht mittels Solarzellen. Der Aufwand für die Stromerzeugung ist dabei umso geringer, je größer die Konversionseffizienz der Solarmodule und je geringer deren Herstellungskosten sind. Vor diesem Hintergrund sind sogenannte Dünnschichtsolarmodule ein vielversprechender Lösungsansatz, da diese mit geringem Material- und Energieaufwand gefertigt werden können und zudem eine gute Konversionseffizienz, d. h. hohe Wirkungsgrade, ermöglichen. Insbesondere Dünnschichtsolarzellen auf Basis von I-III-VI-Verbindungshalbleitern haben sich bewährt. Hierunter fallen beispielsweise Verbindungshalbleiter aus einem Kupfer-Indium-Selenid (CIS) oder einem Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS).
Dünnschichtsolarzellen werden auf ein Substrat als Träger abgeschieden. Als Substrat kommen überwiegend Glassubstrate aber auch Bänder aus Kunststoffen oder Metallen zum Einsatz.
Der typische Aufbau einer Solarzelle vom Substrat-Typ besteht aus einem elektrischen Rückkontakt auf dem Substrat, aus einer Absorberschicht auf dem Rückkontakt, einer Pufferschicht auf dem Absorber und aus einem elektrischen Frontkontakt.
Der elektrische Rückkontakt besteht für Dünnschichtsolarzellen auf Basis eines I-III-VI-Verbindungshalbleiters meist aus einer Metallschicht aus Molybdän, die Pufferschicht aus Cadmiumsulfid und der elektrische Frontkontakt aus einer intrinsischen Zinkoxid-Schicht und einer Aluminium-dotierten Zinkoxidschicht.
Meist werden die Dünnschichtsolarzellen auf dem Substrat zu einem Modul in Reihe verbunden. Hierzu können neben den üblichen Schritten zur Abscheidung der verschiedenen Schichten einer Solarzelle auch Strukturierungsschritte vorgesehen sein.
Die verwendeten Abscheideverfahren sind, insbesondere für die Absorberschicht, vielfältig. Die Pufferschicht wird üblicherweise mittels nasschemischen Verfahren aufgebracht. Der elektrische Rückkontakt und der elektrische Frontkontakt werden häufig mittels Sputterverfahren abgeschieden.
In der EP 2 066 824 B1 ist ein Verfahren zur Abscheidung eines stabilen, transparenten und leitfähigen Schichtsystems auf Chalkopyrit-Solarzellenabsorber mittels hochionisierender PVD (physical vapour deposition)-Technologie durch High Power Pulses Magnetron Sputtering (HPPMS) oder High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) offenbart. Dabei wird die Pufferschicht oder die Frontkontaktschicht mittels HPPMS oder HPIMS direkt auf die Absorberschicht abgeschieden.
Da mit diesem Verfahren dichtere Schichten abgeschieden werden können, wird eine verbesserte Stabilität der Solarzelle unter Einfluss von Wärme und/oder Feuchtigkeit erreicht. Weiterhin ermöglicht das Verfahren bei gleicher Transparenz des Frontkontakts den elektrischen Widerstand des Frontkontaktes zu verbessern. Dies sollte zu einem deutlich größeren Füllfaktor der Solarzelle und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen, was durch die Offenbarung der EP 2 066 824 B1 nicht bestätigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einer verbesserten Stabilität der Solarzelle unter Einfluss von Wärme und/oder Feuchtigkeit und verbessertem Wirkungsgrad der Solarzelle anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle beinhaltet die Verfahrensschritte Abscheiden einer Metallschicht als elektrischen Rückkontakt über dem Substrat, Abscheiden eines Verbindungshalbleiters als Absorberschicht auf den elektrischen Rückkontakt, Abscheiden einer transparenten Schutzschicht über der Absorberschicht und Abscheiden einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht als Frontkontakt auf die Schutzschicht mittels gepulstem Magnetronsputterverfahren mit einer Pulsfrequenz von mindestens 100 Hz und mit einer Leistungsdichte von mindestens 500 W/cm² während eines Pulses.
Die Schutzschicht ermöglicht die Verwendung hoher Leistungsdichten während eines Pulses, ohne den Absorber durch hohe Teilchenenergien zu schädigen.
Dies ermöglicht sogar noch höhere Leistungsdichten bei der Abscheidung zu verwenden, zum Beispiel eine Leistungsdichte von mindestens 1500 W/cm² während eines Pulses. Dies führt insbesondere zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades der hergestellten Solarzellen.
Unter der Begrifflichkeit „abscheiden auf“ soll in dieser Anmeldung ein Abscheiden einer Schicht direkt in Kontakt mit der darunter liegenden Schicht bedeuten. Die Begrifflichkeit „abscheiden über“ soll dahingegen lediglich deutlich machen, dass die abzuscheidende Schicht vom Substrat weiter entfernt liegend abgeschieden wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die transparente, leitfähige Oxidschicht aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid.
Bevorzugt weist die transparente, leitfähige Oxidschicht eine Dicke von 600 nm bis 1000 nm auf.
Die Schutzschicht kann zum Beispiel mittels reaktivem DC-Magnetronsputterverfahren abgeschieden werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Schutzschicht aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid.
Bevorzugt weist die Schutzschicht eine Dicke von 50 nm bis 100 nm auf.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird auf die Absorberschicht eine Pufferschicht abgeschieden. Die Pufferschicht kann zum Beispiel aus Cadmiumsulfid bestehen.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung wird über der Absorberschicht eine intrinsische Zinkoxid-Schicht abgeschieden. Diese wird entweder direkt auf den Absorber oder bevorzugt auf eine Pufferschicht aufgebracht.
Bevorzugt weist die intrinsische Zinkoxid-Schicht eine Dicke von 10 nm bis 40 nm auf.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 1 näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Dünnschichtsolarzelle 1. Zur Herstellung der Dünnschichtsolarzelle 1 wurde mittels Kathodenzerstäubung eine Molybdänschicht als elektrischen Rückkontakt 3 auf ein Glassubstrat 2 abgeschieden. Auf den elektrischen Rückkontakt 3 wurde anschließend mittels Ko-Verdampfung, das heißt mittels gleichzeitigen verdampfen von Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se), eine CIGS-Schicht als Absorberschicht 4 abgeschieden. Auf die Absorberschicht 4 wurde in einem chemischen Bad eine Cadmiumsulfid-Schicht als Pufferschicht 5 aufgebracht. Anschließend wurde auf die Pufferschicht 5 mittels reaktiven Magnetronsputterverfahren eine i-ZnO-Schicht 6 und eine Aluminium-dotierte Zinkoxid-Schicht als Schutzschicht 7 abgeschieden.
Zur Herstellung einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht als Frontkontakt 8 wurde von einem Aluminium-dotierten Zinktarget mittels gepulsten Magnetronsputterverfahren mit Sauerstoff als Reaktivgas eine 800 nm Dicke Aluminium-dotierte Zinkoxid-Schicht als Frontkontakt 8 auf der i-ZnO-Schicht 6 abgeschieden. Innerhalb der Pulse von etwa 100 µs wurden bei Stromdichten von um 1A/cm² und Spannungen von 1 kV Leistungsdichten um 1000 W/cm² erreicht.
Mit derartigen Leistungsdichten können kompakte, transparente, leitfähige Oxidschichten mit hoher Transparenz und/oder kleinem Widerstand abgeschieden werden.
Durch die Kompaktheit der Schicht konnte eine verbesserte Stabilität der Solarzelle unter Einfluss von Wärme und/oder Feuchtigkeit erreicht werden. Zusätzlich konnte mittels Schutzschicht eine Beschädigung der Absorberschicht bei der Abscheidung des Frontkontaktes verhindert werden, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Wirkungsgrad der Solarzellen um mehr als 0,5% absolut gegenüber herkömmlich hergestellten Solarzellen verbessert wird.
Bezugszeichenliste

1: Dünnschichtsolarzelle
2: Glassubstrat
3: elektrischer Rückkontakt
4: Absorberschicht
5: Pufferschicht
6: i-ZnO-Schicht
7: Schutzschicht
8: Frontkontakt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2066824 B1 [0008, 0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Abscheiden einer Metallschicht als elektrischen Rückkontakt (3) über dem Substrat (2); – Abscheiden eines Verbindungshalbleiters als Absorberschicht (4) auf den elektrischen Rückkontakt (3); – Abscheiden einer transparenten Schutzschicht (7) über der Absorberschicht (4); und – Abscheiden einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht als Frontkontakt (8) auf die Schutzschicht (7) mittels gepulstem Magnetronsputterverfahren mit einer Pulsfrequenz von mindestens 100 Hz und mit einer Leistungsdichte von mindestens 500 W/cm² während eines Pulses.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte während eines Pulses mindestens 1500 W/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente, leitfähige Oxidschicht aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente, leitfähige Oxidschicht eine Dicke von 600 nm bis 1000 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7) mittels reaktivem DC-Magnetronsputterverfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7) aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7) eine Dicke von 50 nm bis 100 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Absorberschicht eine Pufferschicht (5) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über der Absorberschicht eine intrinsische Zinkoxid-Schicht (6) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Zinkoxid-Schicht (6) eine Dicke von 10 nm bis 40 nm aufweist.