DE102012111895A1 - Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere eines Dünnschichtsolarmoduls, auf einem Substrat (1). Auf eine erste elektrische Kontaktschicht (2) wird eine CIGS-Halbleiterschicht (3) aufgebracht, in der Ausnehmungen (P2) als Isolationskanäle durch Ablation mittels einer elektromagnetischen Strahlung (5) eines Lasers erzeugt werden. Hierzu wird die Strahlung (5) durch das transparente Substrat (1) hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht (2) gerichtet und so die erste elektrische Kontaktschicht (2) in einer den Ausnehmungen (P2) entsprechenden Erwärmungszone (6) auf eine Temperatur geringer als die Verdampfungstemperatur der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und größer als die Verdampfungstemperatur der aktiven Halbleiterschicht (3) erwärmt. Auf diese Weise wird die Halbleiterschicht (3) schnell und effizient von der elektrischen Kontaktschicht (2) abgetragen und die partiellen Ausnehmungen (P2) werden als Isolationskanäle erzeugt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem auf einem Substrat eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet und in die erste elektrische Kontaktschicht partielle Ausnehmungen als Isolationskanäle durch Ablation eingebracht werden und bei dem auf der ersten elektrischen Kontaktschicht zumindest eine aktive Halbleiterschicht angeordnet wird und in die aktive Halbleiterschicht partielle Ausnehmungen als Isolationskanäle durch Ablation mittels einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere eines Lasers, eingebracht werden, wobei auf der aktiven Halbleiterschicht eine zweite elektrische Kontaktschicht angeordnet wird.
- Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls wird in der industriellen Praxis bereits vielfach angewandt und zählt daher durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik.
- Mithilfe von Solarzellen, die zu Solarmodulen verbunden werden, findet die photovoltaische Energieumwandlung in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden.
- Die Dünnschichtmaterialien werden auf einem Träger abgeschieden und bestehen im Wesentlichen aus drei Hauptschichten, nämlich einem Substrat, beispielsweise aus Glas, einer leitfähigen Schicht, beispielsweise Metall, welche als erste elektrische Kontaktschicht bzw. Rückseitenkontakt dient, einer Halbleiterschicht, die als p-n-Übergangszone dient, sowie einem dünnen transparenten leitfähigen Oxid (transparent conductive oxide), welches als zweite elektrische Kontaktschicht bzw. Frontkontakt dient.
- Dünnfilm-Solarmodule haben einen stetig wachsenden Marktanteil, da sie aufgrund der geringen Schichtdicken Material- und Herstellungskosten einsparen. Den höchsten Wirkungsgrad von derzeit etwa 20 % erzielen CIGS-Dünnfilm-Solarmodule, in denen die Halbleiterschicht aus einer Verbindung aus Kupfer, Indium, Gallium, Selen und Schwefel (CIGS) der Formel Cu(In, Ga)(S, Se)2 auf eine elektrisch leitfähige Rückkontaktschicht, beispielsweise aus Molybdän, abgeschieden wird.
- Um eine praxisgerechte Spannung aus Dünnschichtsolarmodulen zu erzeugen, wird das Modul in eine Vielzahl von Zellen aufgeteilt, welche miteinander in Reihe elektrisch verbunden sind. Zu diesem Zweck werden in der industriellen Praxis ein Laser oder mechanische Ritznadeln zur Strukturierung der Dünnschichtsolarzellen verwendet. Somit wechseln sich Laserschritte bzw. mechanische Bearbeitungsschritte mit Abscheidungsschritten ab, um ein komplettes Dünnschichtmodul herzustellen.
- Der Prozess des Laserstrukturierens basiert grundsätzlich auf dem laserinduzierten Abtrag. Der Laser erzeugt mikrometerfeine Isolationskanäle für eine optimale Nutzung der Substratfläche bei gleichzeitiger Vermeidung der Schädigung der jeweils darunter liegenden Schicht. Daraus resultiert ein hoher Wirkungsgrad der Solarmodule.
- Die
DE 10 2011 004 153 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, welches das Anordnen einer transparenten leitfähigen Schicht auf einem transparenten Träger und das Entfernen dieser Schicht aus einem ersten Bereich durch Laserstrahlung umfasst. Gemäß einer Ausführungsform werden die Bereiche durch einen Pulslaser, spezieller durch einen Nd:YAG Pulslaser erzeugt. - Bei einem Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Elementen eines Solarmoduls gemäß der
DE 10 2010 052 863 A1 wird zunächst eine erste elektrische Kontaktschicht, beispielsweise aus ZnO oder aus SnO2, auf ein transparentes Substrat als Trägermaterial mittels Sputterverfahren bei einer Prozesstemperatur von 300 °C aufgebracht. - Anschließend werden die ersten Isolationskanäle als P1-Linien bei Raumtemperatur mittels Laser durch Ablation gebildet. Danach wird ein Schichtsystem aus Halbleiterschichten aufgebracht, wobei die ersten Isolationskanäle verfüllt werden. Dann werden weitere Isolationskanäle als P2-Linien wiederum durch Ablation parallel zu den ersten Isolationskanälen erzeugt. Im Anschluss daran wird eine zweite elektrische Kontaktschicht als Rückkontakt auf die Halbleiterschichten aufgebracht, z.B. ein ZnO/Ag-Kontakt. Dabei werden die zweiten Isolationskanäle verfüllt. Damit ist die Serienverschaltung der Zellen abgeschlossen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und besonders effizientes Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere eines Dünnschichtsolarmoduls, zu schaffen. Dabei soll insbesondere die Bearbeitungsgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die elektromagnetische Strahlung durch das Substrat hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht gerichtet wird und diese Kontaktschicht auf eine Temperatur erwärmt wird, die kleiner als die Verdampfungstemperatur der ersten elektrischen Kontaktschicht und größer als die Verdampfungstemperatur der aktiven Halbleiterschicht ist, sodass entweder die Halbleiterschicht oder die Halbleiterschicht zusammen mit der darauf angeordneten zweiten elektrischen Kontaktschicht partiell von der ersten elektrischen Kontaktschicht abgetragen wird und partielle Ausnehmungen als Isolationskanäle erzeugt werden. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise die Effizienz bei der Herstellung des Schichtaufbaus wesentlich erhöht und zugleich der hierzu erforderliche Energieaufwand vermindert. Indem nämlich der Laser durch das Substrat hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht gerichtet wird, die in der Praxis durch eine Metallschicht, insbesondere aus Molybdän, gebildet ist, erfolgt eine sehr schnelle und äußerst effiziente Umsetzung der elektromagnetischen Energie in die gewünschte thermische Energie, bei der die Erwärmungsgeschwindigkeit im Verhältnis zu einer direkten Erwärmung der Halbleiterschicht um ein Vielfaches übertroffen wird. Zudem hat sich gezeigt, dass der Abtrag auch dadurch schneller und präziser erfolgt, dass die zum Abtragen der Halbleiterschicht erforderliche thermische Energie durch die gute Wärmeleitung der metallischen Kontaktschicht nahezu verlustfrei in den Bereich der Kontaktfläche der Halbleiterschicht und der ersten elektrischen Kontaktschicht eingeleitet wird, sodass in kürzester Zeit die Verbindung gelöst und dadurch die Halbleiterschicht abgelöst wird. Für das Abtragen der zweiten elektrischen Kontaktschicht kann dieser Abtrag ebenfalls eingesetzt werden, indem die Ablation der aktiven Halbleiterschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht im Schichtverbund erfolgen.
- Hierbei hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die elektromagnetische Strahlung auf die erste elektrische Kontaktschicht einwirkt, bis die aktive Halbleiterschicht im Kontaktbereich mit der ersten elektrischen Kontaktschicht verdampft ist. Durch den so entstehenden Dampfdruck der flüchtigen Bestandteile bei zugleich fehlender Verbindung zwischen der elektrischen Kontaktschicht und der Halbleiterschicht werden partielle Ausnehmungen quasi durch Abplatzen oder Absprengen der Halbleiterschicht in diesen definierten Erwärmungszonen der elektromagnetischen Strahlung realisiert, sodass eine Verdampfung der gesamten Schichtstärke der Halbleiterschicht entbehrlich ist.
- Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine elektromagnetische Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge verwendet wird, für die das Substrat im Wesentlichen transparente Eigenschaften aufweist. Hierdurch werden mögliche Verluste bei dem Durchgang der elektromagnetischen Strahlung durch das Substrat auf ein Minimum reduziert und dadurch die Effizienz weiter erhöht. Insbesondere werden zugleich auch unerwünschte Lichtbrechungseffekte, die anderenfalls zu Fehlereinflüssen führen könnten, vermieden.
- Die partiellen Ausnehmungen könnten zur partiellen Ablation der ersten elektrischen Kontaktschicht mittels einer von der Substratseite abgewandten Seite einwirkenden elektromagnetischen Strahlung erzeugt werden. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn die partiellen Ausnehmungen in der ersten elektrischen Kontaktschicht mittels der durch das Substrat hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht einwirkenden elektromagnetischen Strahlung eingebracht werden, sodass die jeweiligen partiellen Ausnehmungen in der ersten elektrischen Kontaktschicht sowie der aktiven Halbleiterschicht von derselben Seite in Bezug auf das herzustellende Solarmodul und somit insbesondere mittels desselben Lasers eingebracht werden können.
- Weiterhin hat es sich bereits als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn der Abtrag der aktiven Halbleiterschicht im Bereich der partiellen Ausnehmungen durch eine auf die Halbleiterschicht einwirkende Absaugung, einen relativen Unterdruck oder eine Luftströmung unterstützt wird. Hierdurch lässt sich eine Beschleunigung des Abtrags erreichen, indem das lokale Ablösen der Halbleiterschicht durch die Saugkräfte oder Zugkräfte unterstützt wird. Denkbar ist hierzu auch die Nutzung elektromagnetischer Kräfte.
- Vorzugsweise wird für eine praxisgerechte Bearbeitung das Substrat im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Die Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere des Lasers, erfolgt von unten.
- Weiterhin kann die Bearbeitung des Substrats mittels der elektromagnetischen Strahlungsquelle derart von oben erfolgen, dass die Schwerkraft das Ablösen der Halbleiterschicht in der Erwärmungszone zur Herstellung der Isolationskanäle begünstigt.
- Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand einer Prinzipdarstellung näher erläutert. Wie zu erkennen, ist auf einem Substrat
1 bereits eine erste elektrische Kontaktschicht2 mit einem wesentlichen Materialanteil aus Molybdän angeordnet, die zur elektrischen Isolierung mit partiellen Ausnehmungen P1 als Isolationskanäle versehen worden ist. Auf der ersten elektrischen Kontaktschicht2 ist eine die partiellen Ausnehmungen P1 überdeckende aktive CIGS-Halbleiterschicht3 angeordnet. In diese wird wie dargestellt eine Ausnehmung P2 als Isolationskanal durch Ablation mittels einer elektromagnetischen Strahlung5 eines Lasers eingebracht, die durch das für die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung5 durchlässige Substrat1 hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht2 einwirkt. Dadurch wird die erste elektrische Kontaktschicht2 in einer der Ausnehmung P2 entsprechenden Erwärmungszone6 auf eine Temperatur geringer als die Verdampfungstemperatur bzw. Schmelztemperatur der ersten elektrischen Kontaktschicht2 und größer als die Verdampfungstemperatur bzw. Schmelztemperatur der aktiven Halbleiterschicht3 erwärmt, um so die Halbleiterschicht3 partiell von der elektrischen Kontaktschicht2 abzutragen und die partielle Ausnehmung P2 als Isolationskanal zu erzeugen. Indem die elektromagnetische Strahlung5 des Lasers nicht direkt auf die Halbleiterschicht3 , sondern auf die elektrische Kontaktschicht2 gerichtet wird und auf diese einwirkt, erfolgt eine indirekte Erwärmung der Halbleiterschicht3 , die jedoch wesentlich schneller als eine direkte Erwärmung erfolgt. Durch die dabei frei werdenden flüchtigen Bestandteile und der zugleich reduzierten Haftung zwischen der elektrischen Kontaktschicht2 und der Halbleiterschicht3 wird die partielle Ausnehmung P2 nahezu schlagartig durch Aufbrechen der Halbleiterschicht3 in der definierten Erwärmungszone6 der elektromagnetischen Strahlung5 abgelöst. Dieser Prozess wird durch eine gezielte Absaugung7 und eine aktive Luftströmung8 noch unterstützt. Abschließend wird noch eine lediglich andeutungsweise gezeigte zweite elektrische Kontaktschicht4 auf die aktive Halbleiterschicht3 aufgebracht, um so den Grundaufbau des Solarmoduls abzuschließen. Alternativ kann die Halbleiterschicht3 auch zusammen mit der darauf bereits angeordneten zweiten elektrischen Kontaktschicht4 von der ersten elektrischen Kontaktschicht2 abgetragen und dementsprechende partielle Ausnehmungen P3 als Isolationskanäle erzeugt werden. - 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
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- DE 102011004153 A1 [0008]
- DE 102010052863 A1 [0009]
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, insbesondere eines Dünnschichtsolarmoduls, bei dem auf einem Substrat (
1 ) eine erste elektrische Kontaktschicht (2 ) angeordnet wird und in die erste elektrische Kontaktschicht (2 ) partielle Ausnehmungen (P1) als Isolationskanäle durch Ablation eingebracht werden und bei dem auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2 ) zumindest eine aktive Halbleiterschicht (3 ) angeordnet wird und in die aktive Halbleiterschicht (3 ) partielle Ausnehmungen (P2) als Isolationskanäle durch Ablation mittels einer elektromagnetischen Strahlung (5 ), insbesondere eines Lasers, eingebracht werden, wobei auf der aktiven Halbleiterschicht (3 ) eine zweite elektrische Kontaktschicht (4 ) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (5 ) durch das Substrat (1 ) hindurch auf die erste elektrische Kontaktschicht (2 ) gerichtet wird und diese Kontaktschicht (2 ) auf eine Temperatur erwärmt wird, die kleiner als die Verdampfungstemperatur oder die Schmelztemperatur der ersten elektrischen Kontaktschicht (2 ) und größer als die Verdampfungstemperatur oder die Schmelztemperatur der aktiven Halbleiterschicht (3 ) ist, sodass die Halbleiterschicht (3 ) oder die Halbleiterschicht (3 ) zusammen mit der darauf angeordneten zweiten elektrischen Kontaktschicht (4 ) partiell von der ersten elektrischen Kontaktschicht (2 ) abgetragen wird und partielle Ausnehmungen (P2, P3) als Isolationskanäle erzeugt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (
5 ) auf die erste elektrische Kontaktschicht (2 ) einwirkt, bis die aktive Halbleiterschicht (3 ) im Kontaktbereich mit der ersten elektrischen Kontaktschicht (2 ) in einer Erwärmungszone (6 ) verdampft ist. - Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge verwendet wird, für die das Substrat (
1 ) im Wesentlichen transparente Eigenschaften aufweist. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag der aktiven Halbleiterschicht (
3 ) im Bereich der partiellen Ausnehmungen (P2) und/oder der Abtrag der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4 ) im Bereich der partiellen Ausnehmungen (P3) durch eine auf die Halbleiterschicht (3 ) einwirkende Absaugung (7 ), einen relativen Unterdruck und/oder eine Luftströmung (8 ) unterstützt wird. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
1 ) im Wesentlichen horizontal ausgerichtet wird und die Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung (5 ), insbesondere des Lasers, von unten erfolgt. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (
5 ) von oben durch das Substrat (1 ) auf die erste elektrische Kontaktschicht (2 ) gerichtet wird. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (
3 ) aus einer Verbindung von Kupfer, Indium, Gallium und Selen nach der Formel Cu(In, Ga)(S, Se)2 hergestellt wird. - Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem grünen Bereich des sichtbaren Lichts und/oder dem infraroten Bereich des Lichts eingesetzt wird.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Intensitätsprofil der elektromagnetischen Strahlung einer Gauss-Funktion entspricht.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das verwendete Intensitätsprofil der elektromagnetischen Strahlung nicht Gauss-förmig ist.
- Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung im Dauerstrichbetrieb oder modulierten Dauerstrichbetrieb und/oder eine Pulslänge im Mikrosekundenbereich, Nanosekundenbereich, Subnanosekundenbereich und/oder Ultrakurzpulsbereich eingesetzt wird.
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