DE19634580A1 - CIS-Bandsolarzelle - Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung - Google Patents

CIS-Bandsolarzelle - Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bandsolarzellen auf der Basis von einseitig mit CIS (Kupfer/Indium/Diselenid) und seinen Homologen beschichteten Kupferbändern und eine dafür geeignete apparative Vorrichtung.
Die Stromgewinnung auf der Basis photovoltaischer Module ist derzeit die umweltfreundlichste aber zugleich teuerste Variante der alternativen Energieerzeugung. Den Möglichkeiten einer weiteren Kostenreduzierung bei den zur Zeit üblichen Solarmodulen auf der Basis von einkristallinem und polykristallinem Silizium sind durch den notwendigen Materialeinsatz Grenzen gesetzt. Größere Kostenreduktionspotentiale besitzen die sogenannten Dünnschichtsolarzellen. Die Materialkosten spielen bei notwendigen Schichtdicken des aktiven Absorbers von maximal 2-4 µm selbst beim Einsatz teurer Materialien wie Indium, Gallium und Selen eine untergeordnete Rolle. Bisher standen einer breiten Anwendung von Dünnschichtsolarzellen die geringen erreichbaren Modulwirkungsgrade entgegen. In den letzten Jahren wurden in dieser Hinsicht jedoch erhebliche Fortschritte erzielt, so daß insbesondere Dünnschichtsolarmodule auf der Basis von CuInSe₂ (CIS) mit erreichten Modulwirkungsgraden von ca. 10% vor der Pilotphase stehen.
Derartige Modulwirkungsgrade setzen jedoch Zellenwirkungsgrade von 12-14% voraus, die nur durch eine exakte Kontrolle der technologischen Parameter in entsprechend teuren Anlagen garantiert werden kann. Üblich sind bisher In-line-Sputter-, Bedampfungs- und Temperanlagen zur Herstellung von CIS-Modulen wobei die hohen Abschreibungskosten derartiger Technik die Kostenreduktionspotentiale dieser Dünnschichttechnologien begrenzen. Die Geometrie der Anlagentechnik erlaubt zudem nur die Herstellung relativ schmaler Solarpaneele (meist ca. 30 cm) mit geringer Variationsbreite. Größere Anlagen, die eine effektive Produktion größerer Dünnschichtmodule erlauben würden, sind extrem teuer und erfordern Produktionsvolumina die derzeit weltweit nicht absetzbar sind.
Ein interessanter technologischer Ansatzpunkt zur Umgehung dieser Probleme, ist die Beschichtung von Folien mit Solarzellen und die nachfolgende Verknüpfung von einzelnen Folienabschnitten durch eine überlappende Montage, für die eine effektive Variante im japanischen Patent 2-244772 (A) beschrieben wird. Besonders interessant ist diese Variante für den Fall, daß auf metallische Abführelektroden auf der Zelloberseite verzichtet wird. Hierbei ist, im Gegensatz zum japanischen Patent 2-244772 (A), eine 100%-ige Ausnutzung der Modulaperturfläche gegeben ( s. Fig. 1 ). Die Breite der Zelle wird dann allerdings durch den Widerstand der oberen Kollektorelektrode aus einem transparenten, leitfähigen Oxid auf etwa 1 cm begrenzt.
Eine ökonomische Fertigung von Solarzellen und Modulen in einer derartigen Anordnung erfordert aber enorm hohe Fertigungsgeschwindigkeiten bei der Zellherstellung, um in gleicher Zeit gegenüber der üblichen Planartechnologie vergleichbare Flächen herstellen zu können. Keine der bekannten CIS-Technologien wird derzeit diesen Anforderungen gerecht. Auch würde die Übertragung des bisher üblichen Zellaufbaus (Fig. 2) den Einsatz von teuren Molybdänbändern oder mit Molybdän beschichteten Metallbändern als Substrat erfordern. Die geringe Haftfestigkeit von CIS-Schichten auf Molybdänoberflächen ist darüber hinaus ein bis jetzt nicht gelöstes Problem, das einer mit hohen mechanischen Belastungen verbundenen Bandtechnologie entgegensteht. Eine interessante Alternative wäre der Einsatz wesentlich billigerer Kupferbänder als Träger für die CIS-Solarzelle, wobei die Oberseite des Kupferbandsubstrates selbst Bestandteil der Solarzelle wird. Dieser scheitert jedoch daran, daß mit dem Kupferbandsubstrat eine praktisch unendliche Cu-Diffusionsquelle zur Verfügung steht. Mit den üblichen Technologien ist in diesem Fall eine exakte, für effektive CIS-Solarzellen aber unbedingt notwendige, Steuerung der Zusammensetzung der CIS-Schichten nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und die dafür notwendige anlagentechnische Lösung sowie den erforderlichen Schichtaufbau zu beschreiben mit der eine hocheffiziente und ökonomische Abscheidung haftfester CIS-Solarzellen auf Kupferbändern möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ersten Schritt das vorgereinigte Kupferband kontinuierlich (Spule zu Spule) einseitig galvanisch mit Indium beschichtet, in einem zweiten Schritt das mit Indium beschichtete Kupferband im Kontaktverfahren mit einem beheiztem Graphitkörper kontinuierlich sehr schnell aufgeheizt und einseitig in einem schmalen Spalt mit erhitztem Schwefel-oder Selendampf in Kontakt gebracht, in einem dritten Schritt selektiv die entstandene Deckschicht aus Kupfersulfid ätztechnisch entfernt und in einem vierten Schritt die Oberfläche der CIS-Schicht mit einer p⁺-leitenden transparenten Kollektor- bzw. Anpaßschicht aus Kupferoxidsulfid versehen wird.
Die galvanische Abscheidung von Indium auf Kupfer ist ein äußerst ökonomischer und schneller Prozeß der technisch beherrscht wird und eine reproduzierbare und genaue Einstellung der Indiumschichtdicke bei sparsamsten Materialeinsatz gestattet. Die entsprechenden Bäder sind kommerziell erhältlich. Die einseitige kontinuierliche Beschichtung wird dabei so realisiert, daß das Kupferband im galvanischen Bad über ein teilweise eintauchendes Führungsrad läuft. Zweckmäßigerweise kann die kathodische Abscheidung von Indium mit einer vorgelagerten anodischen Reinigung der Kupferoberfläche in verdünnter Phosphorsäure kombiniert werden. Zur Sulfidisierung wird das mit Indium beschichtete Kupferband durch Ziehen über einen strahlungsbeheizten, an der Oberfläche gewölbten Graphitblock innerhalb weniger Sekunden auf Temperaturen von 550-650°C, aufgeheizt und mit schwefeldampf- oder selendampfgesättigtem Stickstoffträgergas in Kontakt gebracht. Den prinzipiellen Aufbau des dazu zweckmäßigerweise angewendeten Reaktors zeigt Fig. 3. Der Reaktor besteht aus dem an der Spaltoberfläche konvex gewölbten Bandheizer 1 aus Graphit, dem an der Spaltoberfläche konkav gewölbten Gasheizer 2 ebenfalls aus Graphit und den Quarzglasplatten 3, die den zwischen Bandheizer und Gasheizer eingestellten Spalt 4 nach außen abdichten. Bandheizer und Gasheizer können über thermisch schnelle Strahlungsheizer 5 von innen oder von außen separat auf die notwendigen Prozeßtemperaturen aufgeheizt werden.
Die Vorteile dieser apperativen Anordnung sind:
  • - Sicherung des schnellen und kontinuierlichen Temperatureintrages in das Band ohne rotierende geheizte Teile durch Ausnutzung der guten Gleiteigenschaften und Wärmeleitfähigkeit des Graphites;
  • - hohe Effizienz bei der Materialausnutzung durch den eng begrenzten, genau definierten Reaktionsraum;
  • - Sicherung einer hohen Reaktivität von Selen und Schwefel durch Temperaturen im Gasheizer die über den Bandtemperaturen liegen;
  • - Einfacher und billiger Aufbau.
Die sehr schnelle Aufheizung des Bandes bildet die physikalisch-chemische Grundlage für die beschriebene CIS-Bandtechnologie. Unter Ausnutzung der unterschiedlichen Diffusions­ geschwindigkeiten von In bzw. Cu in der festen (Cu-Band) und flüssigen (In-Schmelze) Phase wird durch ein sehr schnelles Aufheizen erreicht, daß die In-Schmelze entsprechend der im Phasendiagramm Cu-In erreichten Liquidustemperatur von vorzugsweise 550-650°C sehr schnell mit Cu gesättigt wird, während die Eindiffusion des In in das Kupferband eine untergeordnete Rolle spielt. Wird die heiße, mit Cu gesättigte In-Schmelze, wie oben beschrieben, mit hochreaktiven S oder Se in Kontakt gebracht, erfolgt die Umsetzung zu CIS praktisch schlagartig. Die Prozeßzeiten können daher im Gegensatz zu den bisher üblichen Technologien, bei denen die CIS-Bildung stets über die viel langsameren Festkörperreaktionen abläuft, wesentlich verkürzt werden. Damit werden sehr hohe Bandvortriebsgeschwindigkeiten möglich, die eine wesentliche Voraussetzung für die Ökonomie der Bandtechnologie bilden. Die sehr kurzen Prozeßzeiten im Sekundenbereich bei der Sulfidisierung bzw. Selenisierung sind allerdings auch eine unbedingte Notwendigkeit, da durch die praktisch unbegrenzte Cu-Quelle des Kupferbandsubstrates bei den entsprechenden Prozeßtemperaturen von über 550°C eine ständige Nachdiffusion von Cu erfolgt. Die Anwesenheit von reaktiven Komponenten wie S und Se an der Bandoberfläche führt dann zu Bildung von Deckschichten aus Kupfersulfid bzw. Kupferselenid, die bei zu langen Prozeßzeiten die anfangs gebildete, geschlossene CIS-Schicht zerstören. Diese im Prozeß immer entstehenden mehr oder weniger dicken Deckschichten aus Kupfersulfid oder -selenid müssen dem Stand der Technik entsprechend durch eine Zyanidätzung nachfolgend selektiv entfernt werden. Die nach der Ätzung an der Bandoberfläche freigelegte CIS-Schicht ist frei von störenden Fremdphasen und weist die für effektive Absorberschichten notwendigen Parameter wie Schichtdicken im Bereich von 1-2 µm, Columinarstruktur sowie gute optische und elektrische Eigenschaften auf. Sie ist fest mit dem Bandsubstrat verwachsen und hat die für die Bandtechnologie notwendige mechanische Stabilität. Die mit der beschriebenen Technologie hergestellten CIS-Schichten sind allerdings mehr oder weniger stark n-leitend und erfordern daher einen gegenüber dem Stand der Technik (Fig. 2) grundsätzlich anderen Deckschichtaufbau. Zur Realisierung des für die Solarzelle notwendigen p/n-Überganges muß der n-Absorber mit einer transparenten p⁺-Anpaß bzw. Kollektorschicht versehen werden. Dem Stand der Technik entsprechen ist dafür im wesentlichen nur ZnTe geeignet, das die entsprechenden optischen und elektrischen Eigenschaften aufweist. Eigene Experimente mit ZnTe-Deckschichten auf den nach der beschriebenen Technologie hergestellten CIS-beschichteten Kupferbändern belegen die prinzipielle Möglichkeit der Herstellung von Solarzellen. Die derzeit bekannten technischen Möglichkeiten der Einpassung einer ZnTe-Abscheidung in den Bandprozeß sind jedoch begrenzt, so daß als bessere Alternative erfindungsgemäß eine hocheffiziente und sehr schnelle Sol-Gel-Technik zur Herstellung hochleitfähiger, transparenter p⁺-Cu₂O/S-schichten entwickelt wurde. Die entsprechende Stammlösung wird auf der Basis von alkoholischen oder wäßrigen Lösungen von Kupferacetat und Thioharnstoff hergestellt. Diese Lösung wird über ein einfaches Tauchverfähren kontinuierlich auf die zyanidgeätzte CIS-Oberfläche aufgebracht und bei Temperaturen von ca. 250-450°C im Kontaktverfahren sekundenschnell ausgetempert. Derartig hergestellte CIS-Solarzellen auf Sulfidbasis zeigen die für hocheffiziente Solarzellen notwendigen Leerlaufspannungen und Kurzschlußströme. Da die Cu₂O/S-Deckschicht mit ihrer Absorptionskante die Effektivität der CIS-Solarzellen beschneidet, ist die Anwendung dieser Schicht als dünne Anpaßschicht in Kombination mit einer üblichen ZnO-Kollektorschicht sinnvoll. Zwischen der p⁺-Cu₂O/S-Anpaßschicht und n⁺-ZnO-Kollektorschicht entsteht elektronisch gesehen eine Tunneldiode, die, analog den Erfahrungen bei der Herstellung von pin-Strukturen auf der Basis von amorphen Silizium, die Eigenschaften der Solarzelle nur unwesentlich beeinflußt. Der prinzipielle Schichtaufbau der nach der beschriebenen Technologie hergestellten CIS-Solarzelle wird in Fig. 4 gezeigt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Das vorteilhafte Modulverschaltungskonzept für Bandsolarzellen;
Fig. 2 Den Stand der Technik bezüglich des Aufbaus von CIS-Solarzellen;
Fig. 3 Den prinzipiellen Aufbau des Schmalspaltreaktors zur Herstellung von CIS-Bandsolarzellen auf Basis der vorliegenden Erfindung;
(1 = Bandheizer aus Graphit, 2 = Gasheizer aus Graphit; 3 = Quarzglasplatten, 4 = Reaktionsspalt, 5 = Strahlungsheizer)
Fig. 4 Den Aufbau CIS-Bandsolarzelle gemäß vorliegender Erfindung.
Ausgangsmaterial ist ein auf eine Spule gewickeltes 1 cm breites und 0,1 mm dickes kommerziell erhältliches Kupferband. Zur Reinigung wird dieses Band in einer kombinierten Bandanlage anodisch in 50°C heißer 50%iger Phosphorsäure geätzt und anschließend sofort kathodisch einseitig mit einer 1 µm dicken In-Schicht versehen.
Als galvanisches Band wird schwefelsaurer wäßriger In-Elektrolyt eingesetzt.
Anschließend wird das beschichtete Band im strahlungsbeheiztem Spaltreaktor auf 580°C aufgeheizt und im schwefeldampfgesättigtem Stickstoffträgergasstrom sulfidisiert. Die Temperatur des Gasheizers beträgt dabei 700°C und die Bandvortriebsgeschwindigkeit 10 cm/sec. Die Sättigung des Trägergases mit Schwefeldampf erfolgt in einer strahlungsbeheizten Schwefelquelle bei 350°C. Der Reaktionsspalt ist 1 mm hoch, 1,2 mm breit und 30 cm lang. Das selektive Abätzen der Cu₂S-Dechschicht erfolgt anschließend kontinuierlich in einer Bandätzanlage mit einer 80°C heißen 10%-igen KCN-Lösung.
Abschließend wird die CIS-Schicht mit einer Anpaß- und Kollektorschicht aus Cu₂O/S versehen, indem in einer Bandanlage das CIS-beschichte Kupferband oberflächlich mit einer Sol-Lösung aus Methanol/Thioharnstoff/Kupferacetat tauchbeschichtet und nachträglich sofort durch Ziehen über einen 300°C heißen Graphitblock ausgetempert wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von CIS-Bandsolarzellen gekennzeichnet dadurch, daß in einem ersten Schritt ein vorgereinigtes Kupferband kontinuierlich von Spule zu Spule einseitig galvanisch mit Indium beschichtet, in einem zweiten Schritt das mit Indium beschichtete Kupferband im Kontaktverfahren mit einem beheiztem Graphitkörper kontinuierlich sehr schnell aufgeheizt und einseitig in einem schmalen Spalt mit erhitztem Schwefel-oder Selendampf in Kontakt gebracht, in einem dritten Schritt selektiv die entstandene Deckschicht aus Kupfersulfid ätztechnisch entfernt und in einem vierten Schritt die Oberfläche der CIS-Schicht mit einer p⁺-leitenden transparenten Kollektor- bzw. Anpaßschicht aus Kupferoxidsulfid versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß statt In auch Ga oder In/Ga-Legierungen und statt S auch Se oder S/Se-Mischungen eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß statt Kupferoxidsulfid auch andere p⁺-leitend, transparente Verbindungen, wie ZnTe und Cu₂O als Anpaß- oder Kollektorschicht eingesetzt werden.
4. Schmalspaltreaktor zur schnellen Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß ein Reaktionsspalt eingeschlossen wird durch einen strahlungsbeheizten, an der Spaltoberfläche konvex gewölbten feststehenden Bandheizer aus Graphit, dem an der Spaltoberfläche konkav gewölbten Gasheizer ebenfalls aus Graphit und 2 Quarzglasplatten, die den zwischen Bandheizer und Gasheizer eingestellten Spalt nach außen abdichten.
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