DE112005000948B4 - Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ mit einem Glimmer enthaltenden isolierenden Substrat - Google Patents

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Abstract

Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ (50) umfassend einen Schichtstapel (14), der aus einer ersten Elektrode (16) aus Metall, einer Lichtabsorptionsschicht (18) aus einer Chalcopyritverbindung, die an oder auf die erste Elektrode (16) angebracht ist und als p-Halbleiter dient, und aus einer zweiten Elektrode (20), die an oder auf der Lichtabsorptionsschicht (18) angebracht ist und als n-Halbleiter dient, besteht, wobei: das isolierende Substrat (52), das den Schichtstapel (14) trägt, Glimmer enthält; eine Bindemittelschicht (56), die aus einer Stickstoffverbindung besteht, zwischen dem isolierenden Substrat (52) und dem Schichtstapel (14) eingefügt ist; und wobei die genannte Bindemittelschicht (56) TiN oder TaN enthält und wobei die Bindemittelschicht (56) eine Dicke von 0,5–1 μm aufweist.

Description

  • Technisches Feld
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ mit einem isolierenden Substrat, das Glimmer enthält.
  • Stand der Technik
  • Eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ ist eine Solarzelle, die als Lichtabsorptionsschicht eine Chalcopyritverbindung enthält, die als Cu(InGa)Se dargestellt wird (nachstehend auch als „CIGS” bezeichnet). Besondere Aufmerksamkeit wurde auf diesen Solarzellentyp gerichtet, da Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ verschiedene Vorteile aufweisen. Zum Beispiel haben solche Solarzellen einen hohen Energieumsetzungsgrad, eine optische Verschlechterung auf Grund von Alterung wird selten beobachtet, die Strahlungsbeständigkeit ist hervorragend und die Solarzelle weist sowohl einen breiten Wellenlängenbereich, in dem Licht absorbiert wird, als auch einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten auf. Deshalb wurden unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt, um eine Massenproduktion der Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ zu ermöglichen.
  • Wie in 5 dargestellt ist, wird eine solche Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 10 bereitgestellt, indem auf einem Glassubstrat 12 ein Schichtstapel 14 angeordnet wird. Die Grundstruktur des Schichtstapels 14 beinhaltet eine erste Elektrode 16, die aus Mo besteht, eine Lichtabsorptionsschicht 18, die aus CIGS besteht und eine transparente zweite Elektrode 20, die aus ZnO/Al besteht. Jedoch werden im Allgemeinen auch eine Pufferschicht 22 und eine Schicht mit hohem Widerstand (halbleitende Schicht) 24 bereitgestellt, die zwischen der Lichtabsorptionsschicht 18 und der zweiten Elektrode 20 eingefügt sind, um die Bandlücke im Hinblick auf die Lichtabsorptionsschicht 18 anzupassen. Weiterhin wird eine Antireflexionsschicht 26 auf die zweite Elektrode 20 aufgebracht, um zu verhindern, dass Licht, welches in die Lichtabsorptionsschicht 18 eintritt, reflektiert und an die Umgebung abgegeben wird. Die Pufferschicht 22, die Schicht mit hohem Widerstand 24 und die Antireflexionsschicht 26 bestehen z. B. aus CdS, ZnO bzw. MgF2. Ferner können auch in einigen Fällen ZnO oder InS als Material für die Pufferschicht 22 ausgewählt werden. Sowohl die Pufferschicht 22 als auch die Schicht mit hohem Widerstand 24 kann als eine einzelne Schicht gebildet werden.
  • Ein Teil der ersten Elektrode 16 steht aus dem Schichtstapel 14 heraus und an diesem herausstehenden Teil wird ein erster leitender Abschnitt 28 angebracht. Andererseits steht auch ein Teil der zweiten Elektrode aus der Antireflexionsschicht 26 hervor, wobei ein zweiter leitender Abschnitt 30 auf dem herausstehenden Teil angebracht wird.
  • Sobald Licht, z. B. Sonnenlicht, auf die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 10, die entsprechend obiger Beschreibung aufgebaut ist, fällt, bilden sich Paare von Elektronen und positiven Löchern innerhalb der Lichtabsorptionsschicht 18. Die Elektronen sammeln sich an der Grenzfläche der zweiten Elektrode 20 (n-Seite) an, während sich die positiven Löcher an der Grenzfläche der Lichtabsorptionsschicht 18 (p-Seite) ansammeln, wie es den verbundenen Grenzflächen zwischen der CIGS-Lichtabsorptionsschicht 18 (p-Halbleiter) und der zweiten Elektrode 20 (n-Halbleiter) entspricht. Wenn dieses Phänomen auftritt, wird eine elektromotorische Kraft zwischen der Lichtabsorptionsschicht 18 und der zweiten Elektrode 20 erzeugt. Die elektrische Energie aus der elektromotorischen Kraft wird als Strom vom ersten leitenden Abschnitt 28, der mit der ersten Elektrode 16 verbunden ist, und dem zweiten leitenden Abschnitt 30, der mit der zweiten Elektrode 20 verbunden ist, nach außen geleitet.
  • Üblicherweise wird die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 10, wie sie in 5 dargestellt ist, auf folgende Weise hergestellt. Zuerst wird die erste Elektrode 16, bestehend aus Mo als Film auf ein Substrat aus Natronkalkglas 12 aufgebracht, z. B. mittels Filmbildung durch Vakuumzerstäubung.
  • Anschließend wird die erste Elektrode 16 durch deren Bestrahlung mit einem Laser geteilt, um den sogenannten „Schreibvorgang” auszuführen.
  • Schneideabfall, der bei dem Teilungsvorgang anfällt, wird durch Waschen mit Wasser entfernt. Danach wird ein Film aus Cu, In und Ga mittels Vakuumzerstäubung auf die erste Elektrode 16 aufgebracht, um einen Precursor bereitzustellen. Der Precursor wird zusammen mit dem Substrat und der ersten Elektrode 16 unter H2Se-Gas-Atmosphäre in einem Heizofen getempert. Während des Temperprozesses wird der Precursor in Selenid umgewandelt, wobei sich eine lichtabsorbierende Schicht 18 aus CIGS bildet. Anschließend wird die n-Pufferschicht 22, die z. B. aus CdS, ZnO oder InS besteht, auf die lichtabsorbierende Schicht 18 aufgebracht. Die Pufferschicht 22 kann z. B. mittels Vakuumzerstäubung oder durch chemische Abscheidung aus Lösung (CBD) aufgetragen werden.
  • Weiterhin kann die Schicht mit hohem Widerstand 24, die z. B. aus ZnO besteht, beispielsweise durch Filmbildung mittels Vakuumzerstäubung hergestellt werden. Anschließend werden die Schicht mit hohem Widerstand 24, die Pufferschicht 22 und die Lichtabsorptionsschicht 18 einer Schreiboperation mittels Laserstrahl oder Metallspitze unterworfen. Durch die Schreiboperation werden die Schicht mit hohem Widerstand 24, die Pufferschicht 22 und die Lichtabsorptionsschicht 18 getrennt.
  • Anschließend wird die zweite Elektrode 20 bestehend aus ZnO/Al als Film mittels Vakuumzerstäubung aufgetragen. Dann werden die zweite Elektrode 20, die Schicht mit hohem Widerstand 24, die Pufferschicht 22 und die Lichtabsorptionsschicht 18 einer Schreiboperation mittels Laserstrahl oder Metallsonde unterworfen.
  • Zum Schluss werden der erste leitende Abschnitt 28 und der zweite leitende Abschnitt 30 auf die herausstehenden Teile der ersten Elektrode 16 bzw. der zweiten Elektrode 20 aufgebracht. Entsprechend dem oben erwähnten Verfahren erhält man als Ergebnis eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 10.
  • Die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ, die entsprechend obiger Beschreibung erhalten wird, bildet eine Zelleneinheit. Üblicherweise wird in der Praxis ein größeres Bauteil mit panelartiger Form, in den eine Vielzahl solcher Zelleneinheiten miteinander elektrisch verknüpft sind, eingesetzt.
  • Wie oben beschrieben, wird als Material für das Substrat in den meisten Fällen Glas verwendet, da Glas leicht verfügbar und billig ist. Zusätzlich kann auch die Oberfläche des Films, der auf das Substrat aufgebracht wird, relativ glatt erhalten werden, da die Glasoberfläche schon glatt ist. Ferner diffundiert Natrium aus dem Glas in Richtung der lichtabsorbierenden Schicht. Dadurch erhöht sich der Energieumwandlungsgrad.
  • Allerdings können, wenn Precursor der Selenidbildung unterworfen werden und Glassubstrate verwendet worden sind, keine hohen Temperaturen gefahren werden. Deshalb ist es auch schwierig, die Selenidbildung so zu begünstigen, dass eine Verbindung hergestellt wird, deren Energieeffizienz außerordentlich groß ist. Ferner stellt auch die Dicke des Substrats einen Nachteil dar. Vor allem die Maschinen, welche die Glassubstrate bei der Herstellung von Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ zuführen, müssen große Ausmaße haben. Außderdem haben die hergestellten Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ eine große Masse. Außerdem ist es schwierig, den zuvor beschriebenen Prozess an einen Prozess anzupassen, der die Massenproduktion in Form eines „roll-to-roll”-Prozesses erlaubt, da das Glassubstrat praktisch nicht flexibel ist.
  • Um die obigen Probleme zu bewältigen, wurde als Gegenmaßnahme überlegt, andere Materialien als Glas für die Substrate einzusetzen. Zum Beispiel wurde in Patentdokument 1 eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ vorgeschlagen, in der ein Polymerfilm als Substrat verwendet wird. Weiterhin wurde in Patentdokument 2 Edelstahl als Material für das Substrat einer Chalcopyrit-Brennstoffzelle vorgeschlagen. Patentdokument 3 listet solche Materialien wie Glas, Aluminiumoxid, Glimmer, Polyimid, Molybdän, Wolfram, Nickel, Graphit und Edelstahl auf. Patentdokument 2 schlägt auch vor, eine Schutzschicht aus SiO2 oder FeF2 aufzutragen, um das Substrat aus Edelstahl vor Angriff von Selen während der Selenidbildung zu schützen.
    Patentdokument 1: JP 05-259 494 A
    Patentdokument 2: JP 2001-339 081 A
    Patentdokument 3: JP 2000-058 893 A (Familienmitglied: US 6 127 202 A ).
  • JP 11-340 482 A beschreibt einen Verbindungshalbleiterfilm und die Herstellung von Solarzellen daraus. Die Lichtabsorptionsschicht wird hierbei aus einer Chalcopyritverbindung gebildet. Die in D1 hergestellte Solarzelle umfasst einen Schichtstapel, der aus zwei Elektroden und einer Lichtabsorptionsschicht aus einer Chalcopyritverbindung besteht, wobei das isolierende Substrat, das den Schichtstapel trägt, Glimmer enthalten kann.
  • JP 08-125 206 A beschreibt die Herstellung einer Solarzelle mit einer Lichtabsorptionsschicht aus einer Chalcopyritverbindung auf einem Glassubstrat. Zur Vermeidung der Ablösung des Schichtstapels vom Substrat in der Zelle wird eine Bindemittelschicht aus TiN eingefügt.
  • JP 2003-318 424 A beschreibt eine Solarzelle mit einer Lichtabsorptionsschicht aus Chalcopyrit, die mit Alkalielementen diffundiert ist, um die Energieumwandlung beim Herstellungsprozess dieser Solarzelle zu verbessern. Ebenfalls wird eine Pufferschicht auf der Lichtabsorptionsschicht beschrieben, die u. a. aus Siliciumoxid, Aluminiumoxid und Titannitrid besteht.
  • US 5 626 688 A beschreibt ebenfalls ein Herstellungsverfahren für Solarzellen mit einer Lichtabsorptionsschicht aus Chalcopyrit. In dieser Lichtabsorptionsschicht sind ebenfalls Alkalielemente enthalten, ebenso findet sich eine Schicht zwischen dem Substrat und der Absorptionsschicht, die die Diffusion von weiteren Alkaliionen verhindert. Diese zusätzliche Schicht ist u. a. aus Titannitrid, Siliciumnitrid und Aluminiumoxid aufgebaut.
  • JP 59-119 878 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle unter Verwendung keramischer papierartiger oder gewebeartiger Materialien als Substrat bevorzugt Glimmer), um eine höhere Effektivität der photoelektrischen Umwandlung zu erhalten.
  • JP 59-119 877 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle unter Verwendung von Keramikfilmen, wobei das bevorzugte Keramikmaterial Glimmer ist. Hierdurch wird eine höhere Effektivität der photoelektrischen Umwandlung erhalten.
  • JP 58-061 678 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle, bei dem die Elektrode zwischen dem Keramiksubstrat und der amorphen Siliciumschicht mit einem transparenten Film aus Metalloxid gebildet wird. Dies verhindert, dass Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des Keramiksubstrats einen Einfluss auf die Solarzelle hat.
  • JP 2001-257 374 A beschreibt die Bildung einer Lichtabsorptionsschicht aus Chalcopyrit. Auf der Lichtabsorptionsschicht wird eine Halbleiterschicht aus z. B. ZnS gebildet, wobei zwischen dieser Halbleiterschicht und der zweiten Elektrode weiterhin eine Pufferschicht eingefügt wird.
  • US 6 274 805 B1 beschreibt eine Solarzelle mit einer Chalcopyrit-Struktur als Lichtabsorptionsschicht und einem hitzeresistenten Polymerfilm als Substrat. Auf der Lichtabsorptionsschicht wird eine halbleitende Schicht gebildet, auf der eine zweite Elektrode angeordnet ist. Das Abblättern der Halbleiterschicht aus Chalcopyrit aufgrund der Wölbung des Polymerfilms nach Hitzebehandlung wird durch den offenbarten Aufbau der Solarzelle verhindert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden müssen
  • Wenn ein Polymerfilm als Substrat verwendet wird, wie es in Patentdokument 1 beschrieben ist, so besteht, obwohl die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ Flexibilität aufweist, das Problem, dass keine hohen Temperaturen während der Selenidbildung gefahren werden können. Im Fall von Polyimid ist es beispielsweise unmöglich, Temperaturen von mehr als 260°C oder mehr zu verwenden. Daher ist es auch nicht möglich, die Selenidbildung unter H2Se-Gas-Atmosphäre auszuführen, für die eine Temperatur von nicht weniger als 500°C benötigt wird.
  • Das Substrat aus Edelstahl, wie es in Patentdokument 2 beschrieben ist, könnte unzureichend durch eine Schutzschicht geschützt sein. D. h., dass in bestimmten Fällen das Substrat aus Edelstahl während der Selenidbildung erodiert, wodurch sich die erste Elektrode möglicherweise ablösen könnte. Ferner könnte sich die Schutzschicht selbst ablösen, wodurch das leitfähige Substrat aus Edelstahl freigelegt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Schreiboperation nicht mittels einer Metallsonde durchgeführt werden kann.
  • In Patentdokument 3 werden verschiedene Materialien als Substratmaterialien vorgeschlagen. Allerdings werden alle Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ, welche in Patentdokument 3 offenbart sind, nur unter Verwendung von Glassubstraten gebildet. Daher ist es ungewiss, ob Erosion während der Selenidbildung vermieden werden kann, auch wenn andere Materialien verwendet werden. Zum Beispiel ist es bekannt, dass falls ein Substrat aus Glimmeraggregaten, umfassend mit Harz gebundene Glimmerpartikel, als Substrat in einem Schichtstapel eingebaut ist, der Schichtstapel leicht dazu neigt, sich von dem Substrat aus Glimmeraggregat zu lösen, wodurch dessen Energieumwandlungseffizienz verringert wird.
  • Ein generelles Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ bereitzustellen, die in Massenproduktion hergestellt werden kann, deren Energieumwandlungsgrad und deren elektromotorische Kraft groß sind und innerhalb derer es vermieden werden kann, dass sich der Schichtstapel vom Substrat in der Zelle ablöst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ bereitgestellt, die einen Schichtstapel umfasst, der aus einer ersten Elektrode aus Metall, einer lichtabsorbierenden Schicht aus einer Chalcopyritverbindung, die als p-Halbleiter dient und auf der ersten Elektrode gebildet ist, und einer zweiten Elektrode, die auf der Lichtabsorptionsschicht angebracht ist und als n-Halbleiter dient, besteht, wobei
    • – das isolierende Substrat, auf dem der Schichtstapel angebracht ist, Glimmer enthält und
    • – eine Bindemittelschicht, die zumindest als Bindemittel fungiert, zwischen das isolierende Substrat und den Schichtstapel eingefügt ist.
  • Glimmer weist eine hervorragende Flexibilität auf. Deshalb kann z. B. ein Substrat aus einem Glimmeraggregat gebildet werden, das auf- und abgerollt werden kann, wie nachstehend beschrieben, und worin das Glimmeraggregat in vorgegebene Größen zugeschnitten wird. Das Glimmeraggregat kann, mit anderen Worten, in die Form einer Rolle gewickelt werden. Daher kann eine Massenproduktion unter Verwendung eines „roll-to-roll”-Prozesses leicht eingeführt werden. Folglich ist eine Massenproduktion von Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ realisierbar.
  • Ferner ist Glimmer verglichen mit Natronkalkglas günstig. Deshalb sind auch die Herstellungskosten von Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ günstig. Weiterhin wiegt Glimmer wenig. Daher ist es auch möglich, die Masse von Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ zu senken.
  • Weiterhin zeichnet sich Glimmer durch hervorragende Hitzebeständigkeit im Vergleich zu Glassubstraten aus. Daher kann die Selenidbildung unter H2Se-Gasatmosphäre bei Temperaturen von etwa 600–700°C durchgeführt und gleichzeitig ein Precursor aus Cu, In, Ga an der ersten Elektrode abgeschieden werden, um die Lichtabsorptionsschicht bereitzustellen. Die Selenidbildung des Precursors wird unter den oben beschriebenen Bedingungen zuverlässig begünstigt. Deshalb können Solarzellen vom Chalcopyrit-Typ mit einer großen elektromotorischen Kraft (open voltage) gebaut werden.
  • Da sich die Bindemittelschicht zwischen Glimmersubstrat und dem Schichtstapel befindet, kann eine hohe Verbindungskraft zwischen dem Glimmersubstrat und dem Schichtstapel erreicht werden. Damit wird verhindert, dass sich der Schichtstapel vom Glimmersubstrat ablöst.
  • Aufgrund der Anwesenheit der Bindemittelschicht werden Verunreinigungen, die im Glimmersubstrat enthalten sind, davon abgehalten in die Lichtabsorptionsschicht zu diffundieren. Daher kann die Energieumwandlungseffizienz der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ verbessert werden.
  • Die Materialien für die Bindemittelschicht enthalten Substanzen, die TiN oder TaN beinhalten. Die Bindemittelschicht weist eine Dicke von 0,5–1 μm auf. Andererseits umfasst bevorzugte Materialien für das isolierende Substrat ein Glimmeraggregat, welches nach Mischen von pulverförmigem Glimmergranulat mit einem Harz gesintert wird.
  • Eine glättende Schicht, die eine der Komponenten SiN oder SiO2 enthält und an der nach oben weisenden Oberfläche Unregelmäßigkeiten aufweist, wird bevorzugt zwischen das isolierende Substrat und der Bindemittelschicht eingefügt, wobei die Unregelmäßigkeiten der glättenden Schicht kleiner sind, als die Unregelmäßigkeiten an der nach oben weisenden Oberfläche des isolierenden Substrats. Entsprechend kann verhindert werden, dass sich Unregelmäßigkeiten auf die erste Elektrode und die Lichtabsorptionsschicht übertragen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die elektromotorische Kraft der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ gesteigert wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 stellt einen schematischen Querschnitt einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung dar;
  • 2 ist eine Vergrößerung, in der Teilbereiche aus 1 gezeigt werden;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ gemäß einer anderen Ausführungsform;
  • 4 stellt einen schematischen Querschnitt einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ gemäß einer weiteren Ausführungsform dar; und
  • 5 stellt einen schematischen Querschnitt einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ nach einem herkömmlichen Verfahren dar.
  • Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen
  • Eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren, die die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, genau erklärt werden. Grundlegende Komponenten, die vergleichbar mit denen in 5 sind, sollen mit der gleichen Nummerierung gekennzeichnet werden; eine genaue Erklärung der Komponenten soll weggelassen werden.
  • 1 stellt einen schematischen Querschnitt einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 umfasst ein Substrat 52, einen Schichtstapel 14, in Verbindung mit einer glättenden Schicht 54 und einer Bindemittelschicht 56, die zwischen dem Substrat 52 und dem Schichtstapel 14 eingeschoben sind.
  • In dieser Ausführungsform wird das Substrat 52 aus einem Glimmeraggregat gebildet. Der Begriff „Glimmeraggregat”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Material, das durch Mischen von pulverförmigem Glimmergranulat mit Harz und anschließendem Sintern, erhalten wird. Das Glimmeraggregat ist ein Isolator mit einem außerordentlich hohen Widerstand im Bereich zwischen 1012 und 1016 Ω. Weiterhin weist das Glimmeraggregat Eigenschaften wie hohe Widerstandskraft und Haltbarkeit z. B. gegenüber Säuren, Alkalimetallen und H2Se-Gas auf. Ferner hat das Glimmeraggregat ein geringes Gewicht und weist hervorragende Flexibilität auf. Im Gegensatz zur Hitzebeständigkeit von Glassubstraten bis zu einer Temperatur von 500–550°C, wie z. B. Natronkalkglas, weist Glimmeraggregat eine vergleichsweise hohe Hitzebeständigkeit bis zu einer Temperatur von 600–800°C auf.
  • Wie die Vergrößerung in 2 zeigt, sind auf der nach oben weisenden Oberfläche von Substrat 52, welches aus Glimmeraggregat besteht, konkave Teilstücke 58 und konvexe Teilstücke 60 vorhanden. Besonders die nach oben weisende Oberfläche des Substrats aus Glimmeraggregat 52 ist außerordentlich unregelmäßig.
  • Wenn die erste Elektrode 16, mit der der Schichtstapel 14 beginnt, auf das unregelmäßige Substrat aus Glimmeraggregat 52 aufgebracht wird, so werden die Unregelmäßigkeiten auch auf die nach oben weisende Oberfläche der ersten Elektrode 16 übertragen. Wird eine Lichtabsorptionsschicht 18 auf die oben beschriebene erste Elektrode 16 aufgetragen, so wird die elektromotorische Kraft der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50, als fertiges Bauteil, tendenziell kleiner.
  • Entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Verbindung kann eine glättende Schicht 54 mit kleinen Unregelmäßigkeiten, verglichen mit den Unregelmäßigkeiten des Substrats aus Glimmeraggregat 52, zwischen das Substrat 52 und die Bindemittelschicht 56 eingeschoben werden. Wenn die glättende Schicht 54, die kleinere Unregelmäßigkeiten aufweist, auf die beschriebene Weise eingeschoben wird, so werden die Unregelmäßigkeiten, die auf die nach oben weisende Oberfläche der ersten Elektrode 16 und der Lichtabsorptionsschicht 18 übertragen werden, verringert. Deshalb kann ein Abfall der elektromotorischen Kraft der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 vermieden werden. Zum Beispiel können entweder SiN oder SiO2 als Material für die glättende Schicht 54 verwendet werden. Diese Zusammensetzung ist vorteilhaft um die Filmbildung zu erleichtern.
  • Da sich die glättende Schicht 54 zufriedenstellend mit dem Substrat aus Glimmeraggregat 52 und mit der Bindemittelschicht 56 verbindet, kann ferner eine starke Verbindung zwischen dem Substrat und dem Schichtstapel erreicht werden.
  • Die Bindemittelschicht 56, die auf die glättende Schicht 54 aufgetragen wird, gewährleistet eine starke Verbindung sowohl zum Substrat aus Glimmeraggregat 52 als auch zur glättenden Schicht 54. Die Bindemittelschicht 56 dient auch als Diffusionsbarriere, um eine weitere Diffusion von Verunreinigungen zu verhindern, die vom Substrat aus Glimmeraggregat 52 diffundiert werden. Genauer gesagt, werden Verunreinigungen, die im Substrat aus Glimmeraggregat 52 enthalten sind, von der Bindemittelschicht 56 abgehalten, in die Lichtabsorptionsschicht 18 zu diffundieren.
  • Das Material für die Bindemittelschicht 56 ist TiN oder TaN. Derartige Substanzen verbinden sich zufriedenstellend mit z. B. SiN oder SiO2, dem Material, aus dem die glättende Schicht 54 gebildet ist, sowie mit Mo, dem Material, aus dem die erste Elektrode 16 gebildet ist. Deshalb kann aufgrund der glättenden Schicht 54 der Schichtstapel 14 mit zufriedenstellender Verbindungsstärke am Substrat aus Glimmeraggregat 52 angebracht werden.
  • Die Dicke der Bindemittelschicht 56 liegt zwischen 0,5 und 1 μm. Wenn die Dicke weniger als 0,5 μm beträgt, wirkt die Bindemittelschicht 56 nicht sicher als Barriere. Andererseits kann die Verbindungsstärke der Bindemittelschicht 56 nicht gewährleistet werden, wenn die Dicke 1 μm überschreitet.
  • Der Schichtstapel 14 wird gebildet, indem ausgehend von der Bindemittelschicht 56, die erste Elektrode 16 aus Mo, die Lichtabsorptionsschicht 18 aus CIGS, die Pufferschicht 22 aus CdS, die Schicht mit hohem Widerstand 24 aus ZnO, die transparente zweite Elektrode 20 aus ZnO/Al und die Antireflexionsschicht 26 aus MgF2 in dieser Reihenfolge aufgebracht werden. Bereiche der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 20 bleiben frei. Ein erster leitender Abschnitt 28 bzw. ein zweiter leitender Abschnitt 30 werden auf den freigebliebenen Bereichen aufgebracht.
  • Die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die, wie oben beschrieben, aufgebaut ist, weist eine außerordentliche Flexibilität auf, da Substrat 52, wie oben beschrieben, aus Glimmeraggregat besteht. Entsprechend kann das Glimmeraggregat zu einer Rolle aufgewickelt und davon abgerollt werden. Daher kann ein „roll-to-roll”-Prozess angewendet werden, um eine Massenproduktion zu ermöglichen; daher kann die Massenproduktion der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 realisiert werden.
  • Weiterhin ist das Glimmeraggregat im Vergleich zu Natronkalkglas sowohl günstig als auch leicht. Deshalb sind auch die Herstellungskosten der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 günstig. Weiterhin kann die Masse der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 verringert werden.
  • Wie bereits oben erwähnt, hat Glimmeraggregat gegenüber einem Glassubstrat 12 eine außerordentliche Hitzebeständigkeit. Daher kann die Selenidbildung bei 600–700°C durchgeführt werden, unter Verwendung von H2Se-Gas als Precursor von Cu, In, Ga, welche sich an der ersten Elektrode 16 abscheiden, um die Lichtabsorptionsschicht 18 bereitzustellen. Die Selenidbildung des Precursors kann unter den oben beschriebenen Bedingungen deutlich begünstigt werden. Aus folgenden Gründen ist die elektromotorische Kraft in der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 nach ihrer Fertigstellung außerordentlich groß.
  • Insbesondere wird behauptet, dass, wenn die Selenidbildung bei Temperaturen von 600–700°C in der Gasphase durchgeführt wird, eine Lichtabsorptionsschicht 18 entsteht, in der Ga im Wesentlichen homogen im kristallinen Zustand dispergiert ist. Daher ist die Bandlücke vergrößert.
  • Entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bindemittelschicht 56 zwischen das Substrat aus Glimmeraggregat 52 und den Schichtstapel 14, eingeschoben. Entsprechend ist das Substrat aus Glimmeraggregat 52 mit ausreichender Festigkeit verlässlich an den Schichtstapel 14 gebunden. Dadurch wird vermieden, dass sich der Schichtstapel 14 von dem Substrat aus Glimmeraggregat 52 ablöst.
  • Verunreinigungen, wie Al, K, Li, Na, Mg und F sind in dem Substrat aus Glimmeraggregat 52 enthalten. Jedoch werden solche Verunreinigungen aufgrund des Vorhandenseins der Bindemittelschicht 56 davon abgehalten, in die Lichtabsorptionsschicht 18 zu diffundieren. Deshalb kann eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ mit ganz herausragender Energieumwandlungseffizienz erhalten werden.
  • Ferner werden durch diese Bauweise Unregelmäßigkeiten an der nach oben weisenden Oberfläche des Substrats aus Glimmeraggregat 52 mit Hilfe der glättenden Schicht 54 verringert, so dass sie so klein wie möglich sind. Deshalb kann es vermieden werden, dass Unregelmäßigkeiten auf die erste Elektrode 16 und die Lichtabsorptionsschicht 18 übertragen werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die elektromotorische Kraft der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 erhöht wird.
  • In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine glättende Schicht 54 bereitgestellt. Allerdings könnte die Bindemittelschicht 56, wie in 3 dargestellt, auch direkt auf das Substrat aus Glimmeraggregat 52 ohne die glättende Schicht 54 aufgetragen werden, vorausgesetzt, dass die nach oben weisende Oberfläche des Substrats aus Glimmeraggregat 52 ausreichend glatt ist, d. h. so glatt ist, dass die Energieumwandlungseffizienz der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ 50 nicht verringert wird. TiN und TaN, die als Materialien für die Bindemittelschicht 56 verwendet werden können, sind mit dem Glimmeraggregat des Substrats zufriedenstellend verbunden. Daher ist es auch in dieser Anordnung möglich, eine ausreichende Verbindungsstärke zwischen dem Substrat 52 und dem Schichtstapel 14 zu gewährleisten. Auch in diesem Fall liegt die Dicke der Bindemittelschicht 56 bevorzugt zwischen 0,5 und 1 μm. TiN und TaN verbinden sich mit dem Substrat aus Glimmeraggregat 52 mit einer größeren Verbindungsstärke als mit SiN oder SiO2, die das Material für die glättende Schicht 54 bilden. Deshalb kann, wie in 4 dargestellt ist, eine weitere Bindemittelschicht 56 zwischen dem Substrat aus Glimmeraggregat 52 und der glättenden Schicht 54 eingefügt werden, um die Verbindungsstärke noch zu verstärken.
  • Wie aus den 3 und 4 klar hervorgeht, kann der Schichtstapel 14 ohne die Pufferschicht 22, die Schicht mit hohem Widerstand 24 und die Antireflexionsschicht 26 aufgebaut werden.
  • Ferner kann die erste Elektrode 16 entweder aus Titan Ti oder Wolfram W bestehen.

Claims (4)

  1. Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ (50) umfassend einen Schichtstapel (14), der aus einer ersten Elektrode (16) aus Metall, einer Lichtabsorptionsschicht (18) aus einer Chalcopyritverbindung, die an oder auf die erste Elektrode (16) angebracht ist und als p-Halbleiter dient, und aus einer zweiten Elektrode (20), die an oder auf der Lichtabsorptionsschicht (18) angebracht ist und als n-Halbleiter dient, besteht, wobei: das isolierende Substrat (52), das den Schichtstapel (14) trägt, Glimmer enthält; eine Bindemittelschicht (56), die aus einer Stickstoffverbindung besteht, zwischen dem isolierenden Substrat (52) und dem Schichtstapel (14) eingefügt ist; und wobei die genannte Bindemittelschicht (56) TiN oder TaN enthält und wobei die Bindemittelschicht (56) eine Dicke von 0,5–1 μm aufweist.
  2. Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ (50) nach Anspruch 1, wobei das isolierende Substrat (52) ein Glimmeraggregat umfasst, das nach Mischen des Glimmers und einem Harz gesintert wird.
  3. Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ (50) nach Anspruch 2, wobei eine glättende Schicht (54), die eines von SiN oder SiO2 enthält und Unregelmäßigkeiten auf der nach oben weisenden Oberfläche aufweist, zwischen dem isolierenden Substrat (52) und der Bindemittelschicht (56) bereitgestellt wird, wobei die genannten Unregelmäßigkeiten auf der glättenden Schicht (54) kleiner sind als die Unregelmäßigkeiten auf einer nach oben weisenden Oberfläche des isolierenden Substrats (52).
  4. Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Pufferschicht (22) und eine halbleitende Schicht (24) zwischen der Lichtabsorptionsschicht (18) und der zweiten Elektrode (20) eingefügt sind.
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