DE102012104197A1

DE102012104197A1 - Verfahren für das Ausbilden einer Verbindung in einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102012104197A1
Application number: DE102012104197A
Authority: DE
Inventors: Hsuan-Sheng YANG; Wen-Chin Lee
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-06-06
Also published as: TW201322476A; US20130133732A1; NL2008742A; CN103137785A; NL2008742C2

Abstract

Eine Dünnschichtsolarzelle und ein Herstellungsprozess für dieselbe sind angegeben. Die Solarzelle umfasst eine Unterseitenelektrode, eine Halbleiterlichtabsorptionsschicht und eine Oberseitenelektrode. Die Verbindungen können zwischen der Oberseitenelektrode und der Unterseitenelektrode durch elektrochemische Galvanisierung eines leitenden Materials in zwischen den Elektroden ausgebildeten vertieften Bereichen ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die leitenden Materialien optisch opake Metalle mit lichtundurchlässigen Eigenschaften sein. Die Verbindungen sind hoch leitend und minimieren die Dicke der Oberseitenelektrodenschicht, wodurch eine Lichttransmission und eine Energiewandlungsleistungsfähigkeit der Zelle erhöht werden.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Photovoltaiksolarzellen, und insbesondere Dünnschichtsolarzellen und Verfahren zum Ausbilden derselben.
HINTERGRUND
Dünnschicht-Photovoltaik(PV)-Solarzellen stellen eine Klasse von Energiequellenvorrichtungen dar, die eine erneuerbare Energiequelle in der Form von Licht nutzbar machen, das in nützliche elektrische Energie gewandelt wird, und die für zahlreiche Anwendungen verwendet werden kann. Dünnschichtsolarzellen sind mehrschichtige Halbleiterstrukturen, die durch Abscheiden verschiedener dünner Schichten und Filme von Halbleitern und anderen Materialien auf einem Substrat ausgebildet werden. Diese Solarzellen können in der Form von flexiblen, leichten Folien hergestellt werden, die mehrere einzelne, elektrisch verbundene Zellen umfasst. Die Eigenschaften hinsichtlich des geringen Gewichts und der Flexibilität eröffnen den Dünnschichtsolarzellen ein breites mögliches Anwendungsspektrum als elektrische Energiequelle für die Verwendung in tragbarer Elektronik, bei der Raumfahrt und in privaten und kommerziellen Gebäuden, wo sie in eine Vielzahl von architektonischen Strukturen integriert werden können, wie in Dachschindeln, Fassaden und Oberlichtern.
Dünnschichtsolarzellen-Halbleiterbaugruppen umfassen im Allgemeinen eine elektrisch leitende Unterseitenelektrode (auch als Rückkontakt bezeichnet), die auf einem Substrat ausgebildet ist, und eine lichtdurchlässige, elektrisch leitende Oberseitenelektrode (die auch als Vorderkontakt bezeichnet wird), die über der Unterseitenelektrode ausgebildet ist. Oberseitenelektrodenfilme sind beispielsweise aus lichtdurchlässigen transparenten leitendem Oxid(transparent conductive Oxid, TCO)-Materialien hergestellt worden, die im Wesentlichen lichttransparent sind, und die das auf das TCO einfallende Licht zu den Halbleiterschichten passieren lassen, die unten in der Solarzelle ausgebildet sind.
Zwischen der Unterseitenelektrode und der Oberseitenelektrode ist eine aktive Lichtabsorberschicht angeordnet, die im Wesentlichen Lichtenergie einfängt und diese auf bekannte Weise in elektrische Energie wandelt. Die Absorberschicht besteht aus einem lichtsensitiven und strahlungsenergiesensitiven Material, das einfallende Lichtenergie auf bekannte Weise in elektrische Energie wandeln kann. Eine leitende Verbindung ist in der Solarzelle ausgebildet, um die TCO-Oberseitenelektrodenschicht mit der darunter angeordneten Oberseitenelektrodenschicht durch die Absorberschicht elektrisch zu verbinden. Hier wird die Verbindung ausgebildet, indem eine senkrechte Ausnehmung durch die Absorberschicht ausgebildet wird, wie durch ein Ritzen vor dem Abscheiden der TCO-Elektrodenschicht. Dies legt die Unterseitenelektrode in der Verbindungsausnehmung frei. Das TCO-Material wird dann auf der Absorberschicht in einem typischen einzelnen Prozessschritt abgeschieden, und bedeckt im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Absorberschicht mit TCO, umfassend das wenigstens teilweise oder vollständige Ausfüllen der Verbindungsausnehmung, auch entlang der senkrechten Seitenwände. Das TCO-Material stellt somit selbst die leitende Verbindung durch die Ausnehmung zur Unterseitenelektrodenschicht her.
Eine verbesserte Verbindung für eine Dünnschichtsolarzelle ist erstrebenswert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Eigenschaften der beispielhaften Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Elemente ähnlich bezeichnet sind, und in denen:
1 bis 4 Schnittansichten einer Solarzelle während sequentieller Schritte in einem beispielhaften Prozess für das Ausbilden einer Solarzelle und einer Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, in der die ausgebildete Verbindung die Verbindungsausnehmung vollständig ausfüllt;
5 bis 6 Schnittansichten einer Solarzelle während alternativer sequentieller Schritte im beispielhaften Prozess der 1 bis 4 zeigen, wobei die ausgebildete Verbindung die Verbindungsausnehmung teilweise ausfüllt; und
7 ein Flussdiagramm zeigt, das die sequentiellen Schritte im beispielhaften Prozess der 1 bis 6 zeigt.
Alle Zeichnungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Beschreibung von illustrativen Ausführungsformen ist beabsichtigt, um in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen gelesen zu werden, die als Teil der gesamten schriftlichen Beschreibung zu sehen sind. In der Beschreibung der hier offenbarten Ausführungsformen ist jegliche Bezugnahme auf eine Richtung oder Orientierung nur für eine Vereinfachung der Beschreibung beabsichtigt, und ist nicht beabsichtigt, um auf irgendeine Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen. Relative Ausdrücke, wie „unterhalb”, „oberhalb”, „horizontal/waagrecht”, vertikal/senkrecht”, „über”, „unter”, „oben”, „unten”, „Oberseite” und „Unterseite” und Ableitungen davon (zum Beispiel „nach unten gerichtet”, „nach oben gerichtet”, etc.) sollten als eine Bezugnahme auf Orientierungen verstanden werden, die in der diskutierten Zeichnung beschrieben oder gezeigt sind. Diese relativen Ausdrücke dienen der Bequemlichkeit der Beschreibung und erfordern nicht, dass die Vorrichtung in einer besonderen Orientierung konstruiert oder betrieben wird. Ausdrücke wie „angehaftet”, „befestigt”, „verbunden” und „miteinander verbunden” geben eine Beziehung an, wobei Strukturen aneinander angehaftet oder gesichert sind, entweder direkt oder indirekt durch zwischen geschaltete Strukturen, als auch durch bewegliche oder feste Befestigungen oder Beziehungen, solange es nicht anderweitig beschrieben ist. Der Ausdruck „benachbart”, wie er hier verwendet wird, um die Beziehung zwischen Strukturen/Komponenten zu beschreiben, umfasst sowohl einen direkten Kontakt zwischen den jeweiligen Strukturen/Komponenten als auch das Vorhandensein anderer zwischengeschalteter Strukturen/Komponenten zwischen den jeweiligen Strukturen/Komponenten. Des Weiteren sind die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung durch Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen herausgestellt. Dementsprechend soll die Erfindung ausdrücklich nicht auf solche beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die einige mögliche, nicht limitierenden Kombinationen von Strukturen zeigen, die alleine oder in Kombination mit anderen Strukturen existieren können.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Dünnschichtsolarzelle mit einer hoch leitenden Verbindungsstruktur, die durch ein hier diskutiertes beispielhaftes Verfahren hergestellt werden kann. Die Solarzelle 100 umfasst im Allgemeinen ein Substrat 110, eine darauf ausgebildete Unterseitenelektrodenschicht 120, eine darauf ausgebildete Absorberschicht 130, eine darauf ausgebildete Pufferschicht 140 und eine darauf ausgebildete TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 140 weggelassen werden, wobei das TCO direkt auf der Absorberschicht 130 angeordnet ist.
Die alleinige Verwendung von TCO für das Ausbilden der Verbindung kann nicht in allen Fällen vollkommen ideal sein. Um eine gute Seitenwandbedeckung des TCO in der Verbindungsausnehmung zu erreichen, sollte die Dicke des TCO, das auf die Oberseite der Absorberschicht beschichtet wird (wobei gleichzeitig in die Ausnehmung abgeschieden wird), nicht zu dünn sein. Auf der anderen Seite tritt ein hoher elektrischer Widerstand auf, der durch eine zu dünne Schicht von TCO auf den Verbindungsseitenwänden verursacht wird. Dies verringert die gesamte Energiewandlungsleistung und -effizienz der Solarzelle.
Auf der anderen Seite verursacht ein Abscheiden einer dicken Schicht von TCO auf der Absorberschicht, um die vorstehenden Probleme einer zu dünnen Schicht von TCO auf den Verbindungsausnehmungsseitenwänden und den entsprechenden hohen Widerstand zu vermeiden, eine geringe Lichttransmission durch das TCO zur darunter liegenden aktiven Lichtabsorberschicht führen. Eine geringe Lichttransmission durch das TCO vermindert auf ähnliche Weise die gesamte Energiewandlungsleistung und -effizienz der Solarzelle.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine leitende Verbindung 160 zwischen der Oberseitenelektrodenschicht 150 und der Unterseitenelektrodenschicht 140 ausgebildet. Die Verbindung 160 erstreckt sich senkrecht durch die Solarzellenbaugruppe 100. In einer Ausführungsform kann die Verbindung 160 aus einem separaten und anderen leitenden Material als die TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 ausgebildet sein, wie es hier weiter beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindung 160 aus einem leitenden Metall bestehen. In der in 4 gezeigten Ausführungsform kann das Material der Verbindung 160 die Verbindungsausnehmung 162, die durch die Absorberschicht 130 ausgebildet ist, vollständig ausfüllen, so dass die Verbindung eine obere Oberfläche 164 aufweist, die im Wesentlichen plan und eben oder bündig mit der oberen Oberfläche 132, die durch die Absorberschicht 130 definiert ist, oder mit der oberen Oberfläche 142, die durch die Pufferschicht 140 definiert wird, ist, wenn diese optional bereitgestellt ist. In einer anderen möglichen und in 6 gezeigten Ausführungsform kann die Verbindung 160 die Verbindungsausnehmung 162 teilweise ausfüllen.
Solarzellen umfassen im Wesentlichen weiter Mikrokanäle, die in die Halbleiterstruktur strukturiert und geritzt sind, um die verschiedenen leitenden Materialschichten zu verbinden und benachbarte Zellen zu trennen. Diese Mikrokanäle oder „Ritzlinien”, wie sie im Stand der Technik bezeichnet werden, wird eine „P”-Bezeichnung entsprechend ihrer Funktion und dem jeweiligen Schritt während des Herstellungsprozesses der Halbleitersolarzelle gegeben. Die P1- und P3- Ritzlinien sind wesentlich für eine Zellenisolation. Die P2-Ritzlinie bildet Verbindungen. Die P1- Ritzlinien verbinden die Absorberschicht mit dem Substrat und strukturieren die TCO-Tafel in einzelne Zellen. Die P2-Ritzlinien entfernen Absorbermaterial, um die Oberseiten-TCO-Elektrode mit der Unterseitenelektrode zu verbinden, wodurch verhindert wird, dass die dazwischen liegende Pufferschicht als eine Barriereschicht zwischen der Oberseiten- und Unterseitenelektrode fungiert. Die P3-Ritzlinien erstrecken sich vollständig durch das TCO, die Pufferschicht und die Absorberschicht zur Unterseitenelektrode oder zum Substrat, um jede durch die P1- und P2-Ritzlinien definierte Zelle zu isolieren.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine in 4 gezeigte Solarzelle 100 wird nun beschrieben. 7 zeigt die grundlegenden Verfahrensschritte im Ausbildungsprozess.
Bezug nehmend auf die 1 und 7 wird das Substrat 110 zuerst durch beliebige geeignete herkömmliche Mittel des Stands der Technik gesäubert (Schritt 200), um das Substrat für die Aufnahme der Unterseitenelektrodenschicht vorzubereiten.
Geeignete herkömmliche Materialien, die für das Substrat 110 verwendet werden, umfassen, ohne Begrenzung, Glas, wie beispielsweise, ohne Begrenzung, Kalknatronglas, Keramik, Metalle, wie beispielsweise, ohne Begrenzung, dünne Folien aus Edelstahl oder Aluminium oder Polymere, wie beispielsweise, ohne Begrenzung, Polyamide, Polyethylenterephthalate, Polyethylennaphtalate, polymere Kohlenwasserstoffe, cellulosische Polymere, Polycarbonate, Polyether, und andere. In einer beispielhaften Ausführungsform kann für das Substrat 110 Glas verwendet werden.
Anschließend wird eine Unterseitenelektrodenschicht 120 auf dem Substrat 110 (Schritt 210) durch ein beliebiges geeignetes und im Stand der Technik verwendetes Verfahren ausgebildet, umfassend, ohne Begrenzung, Sputtern, Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD), chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), oder andere Techniken.
In einer Ausführungsform kann die Unterseitenelektrodenschicht 120 aus Molybdän (Mo) bestehen. Es können jedoch andere geeignete elektrisch leitende metallische Materialien und Halbleitermaterialien, die im Stand der Technik verwendet werden, verwendet werden, wie Al, Ag, Sn, Ti, Ni, Edelstahl, ZnTe, etc.
In einigen repräsentativen Ausführungsformen weist die Unterseitenelektrodenschicht 120, ohne Begrenzung, vorzugsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0.1 bis 2 μm auf. In einer Ausführungsform weist die Schicht 120 eine repräsentative Dicke in der Größenordnung von etwa 0.5 μm auf.
Als nächstes wird eine Halbleiter-Lichtabsorberschicht 130 auf der Unterseitenelektrodenschicht 120 ausgebildet (Schritt 220), wie in 1 gezeigt ist.
In einer Ausführungsform kann die Absorberschicht 130 ein p-dotiertes Chalkogenid-Material sein, das im Stand der Technik verwendet wird, und vorzugsweise, ohne Begrenzung, CIGS Cu(In, Ga)Se₂ in einigen möglichen Ausführungsformen. Andere geeignete Chalkogenid-Materialien können verwendet werden, umfassen, ohne Begrenzung, Cu(In, Ga)(Se, S)₂ oder ”CIGSS,” CuInSe₂, CuGaSe₂, CuInS₂ und Cu(In, Ga)S₂.
Geeignete Dotierstoffe des p-Typs können im Wesentlichen für das Ausbilden der Absorberschicht 130 verwendet werden, umfassend, ohne Begrenzung, Bor (B) oder andere Elemente der Gruppe II oder III des Periodensystems.
Die Absorberschicht 130 aus CIGS kann durch einen beliebigen geeigneten und im Stand der Technik herkömmlicherweise verwendeten Vakuum- oder Nichtvakuumprozess ausgebildet werden. Solche Prozesse umfassen, ohne Begrenzung, Selenisierung, Verdampfen, Sputtern, chemische Dampfabscheidung, etc.
In einigen repräsentativen Ausführungsformen kann die Absorberschicht 130, ohne Begrenzung, vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0.5 bis 3 μm aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Absorberschicht 130 eine repräsentative Dicke in der Größenordnung von 2 μm auf.
Weiterhin Bezug nehmend auf die 1 und 7 kann dann optional ein dünner Pufferfilm oder -schicht 140 des n-Typs auf der Absorberschicht 130 (Schritt 230) ausgebildet werden, um einen elektrisch aktiven n-p-Kontakt herzustellen. In einer Ausführungsform kann die Pufferschicht 130 CdS sein. Die Pufferschicht 140 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet werden, dass im Stand der Technik verwendet wird. In einer Ausführungsform kann die Pufferschicht 140 durch einen herkömmlichen Abscheidungsprozess mit chemischem Elektrolytbad, der im Stand der Technik verwendet wird, ausgebildet werden, um solche Schichten unter Verwendung einer schwefelhaltigen Elektrolytlösung auszubilden. In einigen repräsentativen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 140, ohne Begrenzung, vorzugsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0 bis 0.1 μm aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Pufferschicht 140 eine repräsentative Dicke in einer Größenordnung von etwa 0.02 μm auf.
Nach dem Ausbilden der CdS Pufferschicht 140, falls diese bereitgestellt wird, oder nach dem Ausbilden der Absorberschicht 130, falls keine Pufferschicht bereitgestellt wird, werden die P2-Ritzlinien als nächstes durch die Absorberschicht 130 geritzt oder geschnitten, um die oberste Oberfläche der Unterseitenelektrodenschicht 120 in der offenen Ritzlinie oder Kanal freizulegen (Schritt 240, 7). Dieser Schritt bildet auch Verbindungsausnehmungen 162 mit senkrechten Seitenwänden 166 mit einer offenen Oberseite und einer offenen Unterseite aus, die darin die Unterseitenelektrodenschicht 120 freigibt. Jedes geeignete herkömmliche Verfahren gemäß dem Stand der Technik kann verwendet werden, um die P2-Ritzlinien für das Ausbilden der Verbindungsausnehmungen 162 zu schneiden, umfassend, ohne Begrenzung, mechanisches (zum Beispiel Schneidstift) oder Laserritzen. Die Solarzellen-Halbleiterbaugruppe, wie sie soweit mit den Verbindungsausnehmungen 162 ausgebildet ist, ist in 2 gezeigt.
Vor dem Abscheiden des TCO-Materials auf der teilweise ausgebildeten Solarzelle 100 zum Ausbilden der Oberseitenelektrodenschicht wird als nächstes die leitende Verbindung 160 hergestellt, wie in 3 gezeigt ist. In einer Ausführungsform wird ein elektrochemischer Abscheidungsgalvanisierungsprozess (electrochemical deposition (ECD) plating process) verwendet, um leitendes Material in den Verbindungsausnehmungen 162 zum Ausbilden der Verbindung 160 abzuscheiden (Schritt 250, 7). ECD ist ein nasschemischer Prozess, der verwendet wird, um die leitenden Verbindungen schrittweise aufzubauen, und er verwendet eine Elektrolytlösung, die das primäre leitende Material und andere Zusätze enthält. Der ECD-Galvanisierungsprozess wird durchgeführt, um schrittweise und sukzessive die Verbindung 160 im Graben 162 aufzubauen. Das leitende Verbindungsmaterial wird auf der freigelegten Unterseitenelektrodenschicht 120 in den Ausnehmungen 162 abgeschieden und füllt die Ausnehmungen schrittweise (graduell) und senkrecht von der Unterseite her auf. Das leitende Verbindungsmaterial füllt den Verbindungsgraben waagerecht oder seitlich von der Seitenwand 166 zur gegenüberliegenden Seitenwand, um dünne Bereiche von leitendem Material entlang den Seitenwänden zu eliminieren oder minimieren, die einen unerwünschten hohen Widerstand verursachen könnten, der die Solarzellenleistung verschlechtert.
In einigen Ausführungsformen kann das leitende Material für die Verbindung 160 sukzessive und senkrecht in den Verbindungsausnehmungen 162 durch den ECD-Galvanisierungsprozess aufgebaut werden, bis das Material die Ausnehmungen 162 im Wesentlichen füllt und die obere Oberfläche 164 der Verbindung im Wesentlichen eben oder planar mit der oberen Oberfläche 132 der Absorberschicht 30 ist (mit Ausnahme von möglichen kleineren Imperfektionen oder Variationen in der Verbindungsoberflächen), wie in 4 gezeigt ist. In einer anderen Ausführungsform kann das leitende Material sukzessive aufgebaut werden und füllt wenigstens teilweise Verbindungsausnehmung 162, wie in 5 gezeigt ist, was letztendlich in der Solarzelle 100 der 6 resultiert. Es ist wünschenswert, dass das leitende Verbindungsmaterial der Ausnehmung 162 zum größtmöglichen Ausmaß füllt, um die Menge an TCO-Material zu minimieren, die in Kontakt mit den Seitenwänden 166 der Absorberschicht in der Ausnehmung sein wird, wenn die TCO-Schicht später ausgebildet wird. Prozessgrenzen beim ECD-Galvanisierungsverfahren und den Gerätschaften, die für die Galvanisierung verwendet werden, können verhindern, dass die Ausnehmungen 162 vollständig gefüllt werden, und eine Schrumpfung kann nach Vollendung des Galvanisierungsprozesses auftreten.
Das auf die Absorberschicht 130 und die Unterseitenelektrodenschicht 120 in der Ausnehmung 162 der Solarzelle 100 galvanisierte leitende Material zum Ausbilden der Verbindung 160 ist in einer Ausführungsform ein verschiedenes und anderes Material als das lichtdurchlässige elektrisch leitende TCO-Material, das zum Ausbilden der Oberseitenelektrodenschicht 150 verwendet wird. Dementsprechend kann das leitende Material für die Verbindung 160 ein Nicht-Oxid und ein lichtundurchlässiges leitendes Material anstelle des durchlässigen TCO-Materials sein, das für die Oberseitenelektrode verwendet wird, und es wird in einem separaten Prozessschritt bezüglich des Abscheidens des TCO auf der Absorberschicht 130 ausgebildet. Das leitende Material der Verbindung 160 kann in einigen Ausführungsformen opaque für Licht sein, da die Verbindung direkt auf der Unterseitenelektrodenschicht 120 ausgebildet ist und auf die Verbindungsausnehmungen 162 begrenzt ist, die nicht mit einer Lichttransmission zur aktiven Absorberschicht 130 wechselwirken.
Die leitenden Materialien, die für die Verbindung 160 verwendet werden können, können in einigen Ausführungsformen optisch opake Materialien und Metalle umfassen. Geeignete metallische Materialien, die für die Verbindung 160 verwendet werden können, umfassen, ohne Begrenzung, Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Palladium, Platin und Verbindungen oder Kombinationen der vorangegangenen Metalle mit anderen Elementen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann Kupfer verwendet werden.
Ein oberflächenselektiver elektrochemischer Galvanisierungsprozess, der organische Zusätze verwendet, kann verwendet werden, um die Verbindungen 160 auszubilden. Ein solcher Prozess wird gezielt das leitende Material vorzugsweise in den Bereichen der Verbindungsausnehmungen 162 direkt auf der freigelegten obersten Oberfläche 122 der Unterseitenelektrodenschicht 120 abscheiden (siehe 2 und 3). Der oberflächenselektive Prozess minimiert oder eliminiert kollaterales und unerwünschtes Galvanisieren des metallischen leitenden Materials auf den verbleibenden Bereichen, wie der freigelegten waagerechten oberen Oberfläche 132 der Absorberschicht 130, die mit der Lichttransmission zur Schicht 130 wechselwirken könnte und die Solarzellenleistung verschlechtern könnte. Das leitende Material wird demnach oberflächenselektiv abgeschieden und in den Ausnehmungen 162 auf der Oberfläche der Unterseitenelektrodenschicht ausgebildet. Vorteilhafterweise erfordert der hier offenbarte selektive ECD-Galvanisierungsprozess, der die Verbindung ausbildet keine Maskierung, um die obere Oberfläche 132 der Absorberschicht vor einer Galvanisierung mit dem leitenden Verbindungsmaterial zu schützen. Ein geeignetes elektrochemisches Galvanisierungsbad umfasst, ohne Begrenzung, eine Säure- oder alkalische Metallionenlösung. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein elektrochemisches Galvanisierungsbad mit Kupfersulfat mit einer heterozyklischen Stickstoffverbindung verwendet werden.
Der elektrochemische Galvanisierungsprozess für das Ausbilden der Verbindungen 160 kann in einem beliebigen kommerziell erhältlichen ECD-Galvanisierungsgerät durchgeführt werden, das für diesen Zweck verwendet werden kann, wie beispielsweise die Sabre-Systeme von Novellus Systems, Inc., aus San José, CA, Raider-S ECD von Applied Materials, Inc., aus Santa Clara, CA, und andere. Beim vorliegenden beispielhaften Herstellungsprozess wird die teilweise vollständige Solarzelle 100, die in 2 gezeigt ist, zuerst in das ECD-Galvanisierungsgerät geladen und dort befestigt. Die Verbindungen 160 werden dann auf die oben beschriebene Weise ausgebildet. Die Solarzelle 100 mit den fertigen Verbindungen 160 kann dann aus dem ECD-Galvanisierungsgerät entfernt werden, um die verbliebenen Herstellungsschritte zu vollenden, wie beispielweise das Abscheiden der Oberseitenelektrodenschicht 150 und andere Schritte.
In einigen Ausführungsformen, wenn ein Übertrag und eine Galvanisierung von leitendem Verbindungsmaterial auf Bereiche der Absorberschicht außerhalb der Verbindungsausnehmungen 162, wie auf der oberen Oberfläche 132, vorhanden ist, kann dann optional ein herkömmlicher Plasmaätzprozess verwendet werden (zwischen den Schritten 250 und 260 der 7), bevor die TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 abgeschieden wird, um zuerst unerwünschte dünne Filme von leitendem Material von der Absorberschicht zu entfernen.
Bezug nehmend auf 4 wird dann, nach dem Ausbilden der leitenden Verbindungen 160, eine n-dotierte lichtdurchlässige Oberseitenelektrodenschicht 150 auf der Absorberschicht 130 oder der Pufferschicht 140, falls diese verwendet wird, ausgebildet (Schritt 260 in 7), um Strom (Elektronen) von der Zelle einzusammeln, während eine minimale Menge an Licht absorbiert wird, das zur Lichtabsorberschicht 130 dringt. Die Oberseitenelektrodenschicht 150 kann in einigen Ausführungsformen aus einem Oxidmaterial bestehen, wie beispielsweise einem TCO-Material. In einer Ausführungsform kann das abgeschiedene TCO-Material bulkabgeschieden sein, um die obere Oberfläche der Solarzelle 100 der 3 vollständig zu bedecken, umfassend die freigelegte waagrechte Oberfläche 132 der Absorberschicht 130 und die obere oder oberste freigelegte Oberfläche 164 der leitenden Verbindungen 160, die darin ausgebildet sind, wie in 4 gezeigt ist. Die TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 ist mit der Unterseitenelektrodenschicht 120 über die in den vorangegangenen Prozessschritten ausgebildeten separaten leitenden Verbindungen 160 elektrisch verbunden, anstelle dass TCO selbst für das Ausbilden der Verbindungen verwendet würde, wie es bei früheren Solarzellenbaugruppen der Fall war. Vorteilhafterweise erzeugt dies hoch leitende Verbindungen, da die für das Ausbilden der Verbindungen 160 verwendeten Materialien nicht oxidisch, lichtundurchlässig und damit hochqualitative elektrische Leiter sind. Die TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 kann deshalb in den hier beschriebenen Ausführungsformen ein Film mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke (in senkrechter Richtung gemessen) über die gesamte Solarzelle 100 sein, mit im Wesentlichen flachen gegenüberliegenden oberen und unteren Bereichen, wie in 4 gezeigt ist.
Aluminium ist ein möglicher Dotierstoff des n-Typs, der im Allgemeinen für TCO-Oberseitenelektroden in Dünnschichtsolarzellen verwendet wird. Es können jedoch andere geeignete herkömmliche Dotierstoffe verwendet werden, wie, ohne Begrenzung, Phosphor (P), Arsen (As) oder andere Elemente der Gruppe V oder VI des Periodensystems.
In einer Ausführungsform kann das für die Oberseitenelektrodenschicht 150 verwendete TCO ein beliebiges herkömmliches Material sein, das im Stand der Technik für Dünnschichtsolarzellen verwendet wird. Geeignete TCOs, die verwendet werden können, umfassen, ohne Begrenzung, Zinkoxid (ZnO), Fluoridzinnoxid (”FTO” oder SnO₂:F), Indiumzinnoxid (”ITO”), Indiumzinkoxid (”IZO” oder In2O3/SnO2), Indiumoxid (In2O3), Antimonzinnoxid (ATO), Zinnoxid (SnO2), eine Kohlenstoffnanoröhrenschicht oder andere geeignete Bedeckungsmaterialien, die die gewünschten Eigenschaften für eine Oberseitenelektrode besitzen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das verwendete TCO ZnO.
In einigen möglichen Ausführungsformen, wo die Oberseitenelektrodenschicht 150 aus ZnO besteht, sollte angemerkt werden, dass sich ein dünner intrinsischer ZnO-Film (nicht gezeigt) manchmal während des Ausbildens der dickeren n-dotierten TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 auf der Absorberschicht 130 bildet.
Es sollte herausgestellt werden, dass, da ein anderes und separates leitendes Material als TCO die Verbindung 160 bildet, die Dicke der TCO-Schicht (vertikal gemessen) minimiert werden kann, und zwar bis zur erforderlichen Dicke, um eine Oberseitenelektrodenschicht 150 mit guter Qualität bereitzustellen. Die TCO-Schicht empfangt einfallendes Licht auf ihrer obersten Oberfläche und transmittiert dieses Licht zur darunter liegenden aktiven Absorberschicht. Vorteilhafterweise maximiert eine dünne TCO-Schicht eine Lichttransmission zur darunterliegenden Absorberschicht. In einer Ausführungsform kann eine dünne TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 mit einer maximalen Dicke von 0,5 μm oder weniger abgeschieden werden. Es wurde abgeschätzt, dass diese TCO-Dicke eine Lichttransmission von etwa 80% auf etwa 90% erhöht, wodurch eine Leistungsfähigkeit der Solarzelle und eine Energiewandlungseffizienz verbessert ist.
Weitere herkömmliche Abschlussprozesse und eine Laminierung können nach dem Ausbilden der hier offenbarten Dünnschichtsolarzellenstruktur ausgebildet werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Dies kann das Laminieren eines oberen Abdeckungsglases auf die Zellenstruktur mit einem geeigneten dazwischen angeordneten Einkapselungsmaterial, wie, ohne Begrenzung, eine Kombination aus EVA (Ethylenvinylacetat) und Butyl, um die Zelle abzudichten. Das EVA und Butyl-Einkapselungsmaterial wird im Stand der Technik verwendet und kann direkt auf der TCO-Oberseitenelektrodenschicht 150 in der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden, gefolgt vom Anwenden des oberen Abdeckungsglases darauf.
Geeignete weitere Abschlussprozess (back end processes) können dann vollendet werden, die das Ausbilden von vorderen leitenden Gitterkontakten oder einer oder mehrerer Antireflexbeschichtungen (nicht gezeigt) auf herkömmliche Art und Weise umfassen können. Die Gitterkontakte stehen aufwärts gerichtet durch und hinter die obere Oberfläche jeder der Antireflexbeschichtungen für eine Verbindung mit externen Schaltkreisen vor. Der Solarzellenherstellungsprozess erzeugt ein fertiges und vollständiges Dünnschichtsolarzellenmodul.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein beispielhaftes Verfahren für das Ausbilden von Verbindungen in einer Dünnschichtsolarzelle das Ausbilden einer leitenden Unterseitenelektrodenschicht auf einem Substrat, das Ausbilden einer Absorberschicht auf der Unterseitenelektrodenschicht, das Ausbilden einer offenen Verbindungsausnehmung in der Absorberschicht, wobei sich die Ausnehmung durch die Absorberschicht zur Unterseitenelektrodenschicht erstreckt; das Abscheiden eines metallischen leitenden Materials in der Ausnehmung unter Verwendung eines Galvanisierungsprozesses, wobei die galvanisierte Ausnehmung eine Verbindung definiert, und das Ausbilden einer lichtdurchlässigen Oberseitenelektrodenschicht über der Absorberschicht, wobei die Oberseitenelektrodenschicht aus einem anderen Material als die Verbindung besteht. In einigen Ausführungsformen umfasst die Oberseitenelektrode ein transparentes leitendes Oxidmaterial, und die Verbindung umfasst ein optisch opakes Metall.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein anderes beispielhaftes Verfahren für das Ausbilden von Verbindungen in einer Dünnschichtsolarzelle das Ausbilden einer leitenden Unterseitenelektrodenschicht auf einem Substrat, das Ausbilden einer Absorberschicht auf der Unterseitenelektrodenschicht, das Ritzen einer offenen P2-Ritzlinie durch die Absorberschicht, wobei die Ritzlinie eine Verbindungsausnehmung definiert, die sich durch die Absorberschicht erstreckt und darin die Unterseitenelektrodenschicht freilegt, das wenigstens teilweise Füllen der Verbindungsausnehmung mit einem metallischen leitenden Material, das direkt auf die freigelegte Unterseitenelektrodenschicht abgeschieden wird, wobei der metallische Leiter eine Verbindung definiert, und das Ausbilden einer Oberseitenelektrodenschicht über der Absorberschicht, wobei die Oberseitenelektrodenschicht aus einem anderen leitenden Material besteht als die Verbindung. In einer Ausführungsform wird der Füllschritt durch elektrochemische Abscheidungsgalvanisierung durchgeführt. Dementsprechend kann das Verfahren in einigen Ausführungsformen vor dem Füllschritt weiter einen Schritt des Positionierens und Befestigens der Solarzelle in einer Maschine für elektrochemische Abscheidungsgalvanisierung umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die Verbindung ein Galvanisierungsmaterial, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Palladium, Platin und Verbindungen davon umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine beispielhafte Dünnschichtsolarzelle eine Unterseitenelektrodenschicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, eine Halbleiterabsorberschicht, die auf der Unterseitenelektrodenschicht ausgebildet ist, und eine Oberseitenelektrodenschicht, die über der Absorberschicht ausgebildet ist. Die Oberseitenelektrodenschicht ist aus einem lichtdurchlässigen elektrisch leitenden Material ausgebildet. Die Solarzelle umfasst weiter eine leitende Verbindung, die sich senkrecht durch die Absorberschicht erstreckt und die Oberseitenelektrodenschicht mit der Unterseitenelektrodenschicht elektrisch verbindet. Die Verbindung kann aus einem anderen leitenden Material als dem Material der Oberseitenelektrodenschicht sein, und sie ist eine von der Oberseitenelektrode getrennte und diskrete Struktur. In einigen Ausführungsformen ist das leitende Material ein optisch opakes, lichtundurchlässiges Metall. In einer Ausführungsform besteht die Oberseitenelektrodenschicht aus einem transparenten leitenden Oxidmaterial.
Während die vorangegangene Beschreibung und die Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angeben, ist zu verstehen, dass verschiedene Hinzufügungen, Modifikationen und Ersetzungen hier durchgeführt werden können, ohne vom Geist, Schutzumfang und dem Bereich der Äquivalente der angehängten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere wird dem Fachmann klar sein, dass die vorliegende Erfindung in anderen Gestalten, Strukturen, Anordnungen, Proportionen, Größen und mit anderen Elementen, Materialien und Komponenten ausgeführt werden kann, ohne vom Geist oder den wesentlichen Eigenschaften davon abzuweichen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Erfindung mit zahlreichen Modifikationen der Struktur, Anordnung, Proportionen, Größen, Materialien und Komponenten und anderweitig verwendet werden kann, die insbesondere an spezifische Umgebungen und operative Erfordernisse angepasst sind, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Weiter können zahlreiche Variationen an den hier beschriebenen beispielhaften Verfahren und Prozessen durchgeführt werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Die hier offenbarten Ausführungsformen sind deshalb in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als begrenzend anzusehen, wobei der Schutzumfang der Erfindung durch die angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt wird, und nicht auf die vorangegangene Beschreibung oder Ausführungsformen begrenzt ist. Die angehängten Ansprüche sollten breit ausgelegt werden, um andere Varianten und Ausführungsformen der Erfindung einzuschließen, die der Fachmann ausführen kann, ohne vom Schutzumfang und dem Bereich der Äquivalente der Ausführungsformen, wie sie hier offenbart sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen in einer Dünnschichtsolarzelle umfasst: – Ausbilden einer leitenden Unterseitenelektrodenschicht auf einem Substrat; – Ausbilden einer Absorberschicht auf der Unterseitenelektrodenschicht; – Ausbilden einer offenen Verbindungsausnehmung in der Absorberschicht, wobei sich die Ausnehmung durch die Absorberschicht zur Unterseitenelektrodenschicht erstreckt; – Abscheiden eines metallischen leitenden Materials in der Ausnehmung unter Verwendung eines Galvanisierungsprozesses, wobei die galvanisierte Ausnehmung eine Verbindung definiert; und – Ausbilden einer lichtdurchlässigen Oberseitenelektrodenschicht über der Absorberschicht, wobei die Oberseitenelektrodenschicht aus einem anderen Material als die Verbindung ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Ausbilden einer Pufferschicht auf der Absorberschicht vor dem Ausbilden der Verbindungsausnehmung, wobei die Ausnehmung durch die Pufferschicht und die Absorberschicht ausgebildet wird.
Dünnschichtsolarzelle, umfassend: – eine Unterseitenelektrodenschicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, – eine Halbleiterabsorberschicht, die auf der Unterseitenelektrodenschicht ausgebildet ist; – eine Oberseitenelektrodenschicht, die über der Absorberschicht ausgebildet ist, wobei die Oberseitenelektrodenschicht aus einem lichtdurchlässigen elektrisch leitenden Material ausgebildet ist; und – eine leitende Verbindung, die sich senkrecht durch die Absorberschicht erstreckt und die Oberseitenelektrodenschicht mit der Unterseitenelektrodenschicht elektrisch verbindet, wobei die Verbindung aus einem anderen leitenden Material als die Oberseitenelektrodenschicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 3, wobei die Verbindung aus einem anderen leitenden Metall oder Metallverbindung als die Oberseitenelektrodenschicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, weiter mit einer Pufferschicht, die zwischen der Absorberschicht und der Oberseitenelektrodenschicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei das Material der leitenden Verbindung wenigstens teilweise eine Ausnehmung füllt, die zwischen der Oberseitenelektrodenschicht und der Unterseitenelektrodenschicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die Verbindung eine obere Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen mit der oberen Oberfläche der Absorberschicht fluchtet.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei sich die Oberseitenelektrodenschicht benachbart zur Verbindung nicht unter eine untere Oberfläche der Absorberschicht erstreckt.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Verbindung aus einem nicht oxidischen Metall oder Metallverbindung besteht, und wobei die Oberseitenelektrodenschicht aus einem transparenten leitenden Oxidmaterial ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Material der leitenden Verbindung in einer Ausnehmung angeordnet ist, die sich zwischen der Oberseitenelektrodenschicht und der Unterseitenelektrodenschicht erstreckt.