DE102012205966A1

DE102012205966A1 - Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls

Info

Publication number: DE102012205966A1
Application number: DE102012205966A
Authority: DE
Inventors: Steffen Polster; Frank Schnell; Andreas Letsch; Rolf Kniprath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Solarworld Industries Thueringen De GmbH
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-17
Also published as: WO2013152971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls (1) mit einer strukturierten Rückseiten-Kontaktschicht, wobei die strukturierte Rückseiten-Kontaktschicht aus einer großflächigen, insbesondere vollflächigen, Rückseiten-Metallschicht (9) mittels Laserablation (A) gebildet wird, wobei die Rückseiten-Metallschicht vor dem Laserablationsschritt mit einer Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) und/oder Einkopplungsstruktur versehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls mit einer strukturierten Rückseiten-Kontaktschicht, wobei die strukturierte Rückseiten-Kontaktschicht aus einer großflächigen, insbesondere vollflächigen, Rückseiten-Metallschicht mittels Laserablation gebildet wird.
Stand der Technik
In vielen Anwendungen werden derzeit Metallschichten mit einem Laser strukturiert, um Isolationskanäle und somit Leiterbahnen oder flächige Elektroden zu schaffen. Da Metalle Laserstrahlung in weiten Spektralbereichen sehr gut reflektieren und zusätzlich hohe Abtragsschwellen aufweisen, sind für den Metallabtrag hohe Energiedichten nötig. Weil der Metallabtrag mit gepulster Strahlung erfolgt, entstehen linienhafte Strukturen durch Aneinanderreihung von Einzelpulsen, was bedeutet, dass der jeweils nächste Puls in der Reihe einen bereits abgetragenen Bereich teilweise mit bestrahlt. In diesem Bereich liegt die unter dem Metall liegende Schicht frei und wird durch die für den Metallabtrag am benachbarten Punkt nötige, hohe Leistungsdichte der Bestrahlung geschädigt.
Insbesondere tritt dieses Problem auf bei der Strukturierung von Dünnschicht-Solarmodulen auf Basis von organischen Materialien als Absorber. Diese werden meist mit drei Strukturierungsschritten als monolithisch verschaltete Module aufgebaut. Die Strukturierung erfolgt teilweise mit mechanischen Sticheln, mittlerweile aus Präzisionsgründen jedoch meist mittels Laserablation.
Problematisch kann speziell bei der Strukturierung der Rückseiten-Kontaktschicht sein, dass der Laserstrahl in der primären Rückseiten-Kontaktschicht relativ zu den darunter liegenden Materialien schlecht absorbiert wird. Somit werden hohe Laserleistungen/Pulsenergien benötigt, um den Metallabtrag zu erreichen. Ist das Metall abgetragen, werden die darunter befindlichen Schichten des Absorbers an den freiliegenden Stellen mit diesen Intensitäten bestrahlt und geschädigt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Gedanke, eine zu strukturierende Metallschicht, die über einer hitzeempfindlichen anderen Schicht liegt, vor einem Laserablationsschritt mit einer Laserstrahl-Einkopplungsschicht und/oder Einkopplungsstruktur zu versehen, ist über das Einsatzgebiet der Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen hinaus auch bei anderen Herstellungsverfahren einsetzbar, etwa zur Herstellung von OLED-Aufbauten oder von Polymerfolienstrukturen mit strukturierten Leitschichten für mechanisch flexible Elektronik-Komponenten. Die Anmelderin beansprucht das erfinderische Konzept, mit seinen nachfolgend erläuterten Ausgestaltungen, auch für solche Anwendungen als neu.
In einer Ausgestaltung des erfinderischen Konzepts ist vorgesehen, dass die Rückseiten-Metallschicht derart ganzflächig mit einer Laserstrahl-Antireflexschicht beschichtet wird, dass diese in die Rückseiten-Metallschicht eingebacken oder in ähnlicher Weise innig mit jener verbunden wird. Hiermit kann insbesondere der Vorteil erzielt werden, dass auch nach einem anfänglichen Oberflächen-Abtrag von Metall aus der Metallschicht noch reflexionsminderndes Material in den verbliebenen Dickenbereichen der Metallschicht zur Verfügung steht. Damit ist auch bei fortgeschrittenem Abtrag der erfindungsgemäß erzielte Effekt in gewissem Grad noch vorhanden.
In einer weiteren Ausführung wird die Laserstrahl-Einkopplungsschicht als für die Laserstrahlung mindestens teilweise transparente Interferenzschicht mit einer Dicke gebildet, die zu intensitätsverstärkenden Interferenzen der Laserstrahlung führt. Alternativ oder auch in Kombination hiermit kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahl-Einkopplungsschicht als die Laserstrahlung mindestens teilweise absorbierende Absorptionsschicht gebildet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Konzepts der Erfindung wird die Rückseiten-Metallschicht als Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil derart gebildet, dass zur freien Oberfläche hin der Metallanteil graduell abnimmt, wogegen der Anteil von die Laserstrahleinkopplung fördernden Anteilen graduell zunimmt.
In den letztgenannten Ausgestaltungen kann speziell vorgesehen sein, dass die Absorptionsschicht oder die Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil mit Kohlenstoffpartikeln oder Partikeln mindestens eines bei der Wellenlänge der Laserstrahlung absorbierenden Farbstoffs und/oder die Streuung der Schicht erhöhenden Partikeln gebildet wird. Die konkrete Auswahl der jeweiligen absorbierenden oder streuenden Komponenten wird für den Anwendungsfall unter Beachtung der Wellenlänge und Intensität der eingesetzten Laserstrahlung sowie des spezifischen Schichtaufbaus getroffen.
Unter verfahrenstechnischen Aspekten ergeben sich ebenfalls diverse Realisierungsmöglichkeiten. So wird in einer Ausführung die Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil durch Koverdampfen von Metall, insbesondere Silber oder Aluminium, und eines organischen Absorbermaterials oder eines oxidkeramischen Materials, insbesondere Molybdänoxid oder Titanoxid, gebildet. In einer anderen Ausführung wird die besagte Schicht durch reaktives Sputtern eines Metalls, insbesondere von Silber oder Aluminium, zusammen mit einem organischen Farbstoff oder oxidkeramischen Material, insbesondere Molybdänoxid oder Titanoxid, gebildet.
Neben dem oben erwähnten Auf- oder Einlagern von die Einkopplung der Laserstrahlung verbessernden Stoffen auf/in die zu strukturierende Metallschicht kann die Erfindung auch dahingehend ausgestaltet sein, dass die Oberfläche der Rückseiten-Metallschicht oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Antireflexschicht mit einer reflexionsmindernden Struktur versehen wird. Es kann dies insbesondere eine Mehrfachreflexionen der Laserstrahlung innerhalb der Oberflächentopografie bewirkende Struktur sein.
Wiederum unter verfahrenstechnischen Aspekten ist in Varianten der Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht durch Plasmabehandlung, Ionenbeschuss oder Bestrahlung mit energetischer Strahlung modifiziert wird. Alternativ hierzu kann die Erfindung, je nach Prozessumgebung der jeweiligen Anwendung, derart realisiert werden, dass die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht durch ein nasschemisches Behandlungsverfahren, insbesondere Ätzverfahren, modifiziert wird. In weiteren Ausgestaltungen wird die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht in einer vorbestimmten Gasatmosphäre über einen vorbestimmten Behandlungszeitraum und optional mit einer vorbestimmten Temperatur-Zeit-Kennlinie modifiziert.
Mit Blick auf den Gesamtablauf der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht und ihrer Laserablation ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Schritte der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht und der Laserstrahl-Einkopplungsschicht oder Einkopplungsstruktur und der Laserablation im Vakuum ohne Bruch des Vakuums ausgeführt werden. In einer hierzu alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens der Schritt der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht im Vakuum und der Schritt der Laserablation in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird. Spezieller können sowohl der Schritt der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht als auch der Schritt der Bildung der Laserstrahl-Einkopplungsschicht oder Einkopplungsstruktur um Vakuum ausgeführt werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zwischenprodukts zur Herstellung einer Dünnschicht-Solarzelle, wie es in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegt,
2 eine Detailansicht (Querschnittsdarstellung) eines Zwischenprodukts einer Dünnschicht-Solarzelle, wie es in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorliegt,
3 eine Detailansicht (Querschnittsdarstellung) eines Zwischenprodukts einer Dünnschicht-Solarzelle, wie es in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorliegt, und
4A bis 4C weitere Detailansichten (Querschnittsdarstellungen) zur Verdeutlichung von Varianten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Dünnschicht-Solarzelle 1 während ihres Herstellungsverfahrens, und zwar im Schritt einer Laserstrukturierung der Rückseiten-Metallisierung mittels einer Laserstrahlquelle L, die in einem Ablationsbereich A auf die Rückseite der Solarzelle auftrifft. Die Dünnschicht-Solarzelle 1 umfasst ein Trägersubstrat (etwa Glas) 3, hierauf eine transparente Leitschicht 5, die im Gebrauchszustand einen Vorderseiten-Kontakt bildet, hierauf eine photoelektrische Absorberschicht 7 und schließlich eine Metallschicht 9. Letztere ist hier im noch unstrukturierten Zustand gezeigt und bildet im strukturierten Endzustand den metallischen Rückkontakt der Solarzelle 1.
Auf der Metallschicht 9 ist ganzflächig eine Laserstrahl-Antireflexschicht 11 angeordnet und innig mit der Metallschicht 9 verbunden. Die Antireflexschicht 11 ist hier als die Laserstrahlung mindestens teilweise absorbierende Absorptionsschicht ausgeführt und trägt dazu bei, die Einkopplung der Laserstrahlenergie in die Metallschicht zu verbessern und hierdurch den Einsatz von Laserstrahlung mit geringerer Energie zu ermöglichen. Dies wiederum verringert die Gefahr von Schädigungen des darunterliegenden hitzeempfindlichen Materials der Absorberschicht 7.
2 zeigt in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung einer modifizierten Dünnschicht-Solarzelle 1' deren Metallschicht 9' über der Absorberschicht 7. Es ist zu erkennen, dass die freie Oberfläche der Metallschicht 9' mit einer Art Pyramidenstruktur derart strukturiert ist, dass durch Mehrfachreflexionen der Energieeintrag von Laserstrahlung in die Schicht verbessert wird. Mit dieser Einkopplungsstruktur 9a lassen sich somit die gleichen Vorteile wie mit der Absorptionsschicht 11 gemäß der Ausführung nach 1 erzielen.
3 zeigt, in ähnlich vergrößerter Detailansicht wie 2, als weitere Ausführung eine Dünnschicht-Solarzelle 1'', bei der anstelle einer Absorberscicht auf der Oberfläche der Metallschicht 9 eine semitransparente Interferenzschicht 13 vorgesehen ist, die hinsichtlich ihres Transmissionsvermögens und ihrer Dicke so ausgewählt ist, dass in ihr intensitätsverstärkende Interferenzen der Bearbeitungs-Laserstrahlung entstehen. Hierdurch lassen sich wiederum ähnliche Vorteile wie bei den Ausführungen nach 1 und 2 erzielen.
Die 4A bis 4C zeigen in drei Ausgestaltungen eine Detailansicht (schematische Querschnittsdarstellung) von Metallschichten 10, 10' bzw. 10'' mit gradiertem Eigenschaftsprofil, die in ihrem oberflächennahen Bereich als Laserstrahl-Einkopplungsschicht wirken. Bei der Metallschicht 10 nach 4A ist eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex in z-Richtung realisiert, während bei der Metallschicht 10' ein im Schichtinneren abgestufter Brechungsindex und bei der Schicht 10'' nach 4C ein im Inneren der Schicht mehrfach abgestufter Brechungsindex realisiert ist. Anstelle eines kontinuierlichen oder abgestuften Verlaufs des Brechungsindex kann durch geeignete Zusätze auch ein ähnlicher Verlauf des Absorptionsvermögens der Schicht für die Bearbeitungs-Laserstrahlung realisiert sein, oder ein sich in z-Richtung ändernder Brechungsindex kann mit einem sich ebenfalls in z-Richtung ändernden Absorptionsvermögen kombiniert sein.
Auch im Übrigen ergeben sich im Rahmen fachmännischen Handelns weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls (1) mit einer strukturierten Rückseiten-Kontaktschicht, wobei die strukturierte Rückseiten-Kontaktschicht aus einer großflächigen, insbesondere vollflächigen, Rückseiten-Metallschicht (9; 9') mittels Laserablation (A) gebildet wird, wobei die Rückseiten-Metallschicht vor dem Laserablationsschritt mit einer Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) und/oder Einkopplungsstruktur (9a) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rückseiten-Metallschicht (9) derart ganzflächig mit einer Laserstrahl-Antireflexschicht (11) beschichtet wird, dass diese in die Rückseiten-Metallschicht eingebacken oder in ähnlicher Weise innig mit jener verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserstrahl-Einkopplungsschicht als für die Laserstrahlung mindestens teilweise transparente Interferenzschicht (13) mit einer Dicke gebildet wird, die zu intensitätsverstärkenden Interferenzen der Laserstrahlung führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Laserstrahl-Einkopplungsschicht als die Laserstrahlung mindestens teilweise absorbierende Absorptionsschicht (11) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rückseiten-Metallschicht (10; 10'; 10'') als Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil derart gebildet wird, dass zur freien Oberfläche hin der Metallanteil graduell abnimmt, wogegen der Anteil von die Laserstrahleinkopplung fördernden Anteilen graduell zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Absorptionsschicht (11) oder die Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil (10; 10'; 10'') mit Kohlenstoffpartikeln oder Partikeln mindestens eines bei der Wellenlänge der Laserstrahlung absorbierenden Farbstoffs und/oder die Streuung der Schicht erhöhenden Partikeln gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil (10; 10'; 10'') durch Koverdampfen von Metall, insbesondere Silber oder Aluminium, und eines organischen Absorbermaterials oder eines oxidkeramischen Materials, insbesondere Molybdänoxid oder Titanoxid, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schicht mit gradiertem Eigenschaftsprofil (10; 10'; 10'') durch reaktives Sputtern eines Metalls, insbesondere von Silber oder Aluminium, zusammen mit einem organischen Farbstoff oder oxidkeramischen Material, insbesondere Molybdänoxid oder Titanoxid, gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Rückseiten-Metallschicht (9') oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Antireflexschicht (11; 13) mit einer reflexionsmindernden Struktur (9a) versehen wird, insbesondere mit einer Mehrfachreflexion der Laserstrahlung innerhalb der Oberflächentopografie bewirkenden Struktur.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht (9; 9') oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) durch Plasmabehandlung, Ionenbeschuss oder Bestrahlung mit energetischer Strahlung modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht (9; 9') oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) durch ein nasschemisches Behandlungsverfahren, insbesondere Ätzverfahren, modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche und optional der oberflächennahe Dickenbereich der Rückseiten-Metallschicht (9; 9') oder einer auf diese aufgebrachten Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) in einer vorbestimmten Gasatmosphäre über einen vorbestimmten Behandlungszeitraum und optional mit einer vorbestimmten Temperatur-Zeit-Kennlinie modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht (9; 9'; 10; 10'; 10'') und der Laserstrahl-Einkopplungsschicht (11; 13) oder Einkopplungsstruktur (9a) und der Laserablation (A) im Vakuum ohne Bruch des Vakuums ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens der Schritt der Ausbildung der Rückseiten-Metallschicht (9; 9'; 10; 10'; 10'') im Vakuum und der Schritt der Laserablation (A) in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird.