DE19732217A1 - Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter
bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte,
photovoltaisch aktive Schichtstruktur aufweisen, sowie auf
ein Verfahren zur Herstellung der Struktur. Speziell lassen
sich damit z. B. Dünnschichtsolarzellen verkapseln, die sowohl
in Substrat-Bauweise als auch in der sogenannten Superstrat-
Bauweise gefertigt sein können. Bei der Substrat-Bauweise
wird die Absorberschicht, d. h. die für die photoelektrische
Konversion verantwortliche Schicht, mit einer leitfähigen,
transparenten Schicht (TCO) bedeckt und von vorne durch letz
tere hindurch beleuchtet. Bei der Superstrat-Bauweise wird
die Absorberschicht auf ein zwangsweise transparentes
Substrat aufgebracht und von hinten durch das Substrat hin
durch beleuchtet.
Photovoltaische Halbleiterbauelemente, wie z. B. Dünn
schichtsolarzellen, werden bekanntermaßen durch eine Verkap
selungsschichtstruktur gegen schädliche Einflüsse der Atmo
sphäre auf deren empfindliche, photovoltaisch aktive Schicht
struktur geschützt. Zu diesem Zweck ist beispielsweise die
Bildung einer Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur be
kannt, bei der auf die Oberfläche des photovoltaischen Halb
leiterbauelementes zunächst eine polymere Zwischenschicht,
z. B. in Form einer Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA) -Folie, aufgebracht
und auf diese eine deckende Glasplatte oder eine Folie aufla
miniert wird. Problematisch ist hierbei, daß wegen der
schlechten Diffusionssperrwirkung von Polymerschichten über
die Polymerschicht schädliche Bestandteile der Atmosphäre an
den Randbereichen in die Solarzelle eindiffundieren und dort
möglicherweise zu Schädigungen führen können. Zudem sind we
gen des Langzeitverhaltens vieler Folien bezüglich chemischer
und UV-Stabilität sowie Ausgasen von intrinsischen Bestand
teilen, wie Härter, Lösungsmittel etc., nur sehr hochwertige
Folien verwendbar. Die Glasplatte verdoppelt annähernd das
Gewicht des photovoltaischen Bauelements, was im Hinblick auf
Transport, z. B. auch für Weltraumanwendungen, und Aufstände
rung von Nachteil ist. Die Verwendung von Glasplatten sowohl
als Grundplatte, d. h. als Substrat, wie auch als Deckplatte
macht eine Formgebung von großflächigen photovoltaischen Ele
menten, z. B. in einer bestimmten architektonischen Gestaltung
oder zur Verkleidung von Flugkörpern, Fahrzeugen und Schiffen
etc., aufwendig. Die Polymerfolie und die Glasdeckplatte
stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar, und der zugehöri
ge Verkapselungsprozeß ist kostenintensiv, weil er nur unter
großem Aufwand als Teil einer Produktionslinie in eine Seri
enfertigung integriert werden kann. Der zusätzliche Energie
bedarf für die Herstellung der Glasplattenverkapselung ver
längert die Energierückgewinnungszeit der photovoltaischen
Elemente erheblich.
In der Veröffentlichung S. Guha et al., Advances in Amorphous
Silicon Alloy Multijunction Cells and Modules, AIP Conference
Proceedings 353, 13th NREL Photovoltaics Program Review, La
kewood, CO, Mai 1995, ist die Verkapselung von Solarmodulen
mit einer Schutzschicht beschrieben, die aus einer durch ein
Mikrowellenplasma abgeschiedenen SiOx-Legierung besteht. Eine
solche Schutzschicht ist relativ hart und spröde und besitzt
einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, weshalb sie
merkliche Kräfte auf die darunterliegenden Schichten ausübt
und zu Ablösungen führen kann, z. B. besonders auch bei Kup
fer-Indium-Diselenid(CIS)-Solarzellen.
In der Veröffentlichung G. Duran et al., Novel Encapsulation
Materials and Techniques for Thin-Film PV Modules, AIP Conf.
Proc. 353, 13thNREL Photovoltaics Program Review, Lakewood,
Co, May 1995, ist eine Mehrfunktions-Verkapselungsschicht
struktur beschrieben, die aus einer Beschichtung mit Silikon
besteht, in das Glasperlen zur Erhöhung der Oberflächenhärte
eingebettet sind. Der zugehörige Auftragungsprozeß ist rela
tiv aufwendig. Zudem ist die Silikonschicht wasserdampfdurch
lässig, was zu einer entsprechenden Degradation der photovol
taisch aktiven Schichtstruktur führen kann.
Da die Transmission der TCO-Schicht bei der Substrat-Bauweise
bzw. des Substrats bei der Superstrat-Bauweise je nach ver
wendeten Materialien im UV-Bereich bis in den sichtbaren
Spektralbereich des Sonnenlichts eingeschränkt sein kann,
wurde bereits die Verwendung fluoreszierender Schichten zur
Steigerung der Solzarzelleneffizienz in Form von Kollektoren
bzw. Konzentratoren vorgeschlagen, siehe z. B. die Veröffent
lichung R. Reisfeld, Solar Energy Materials and Solar Cells,
33 (1994). In letzterer wird die Verwendung fluoreszierender
Substanzen vorgeschlagen, die in einer transparenten Polymer
matrix gelöst sind. Diese Matrix ist jedoch relativ dick und
selbst im energiereichen Spektralbereich absorbierend. Zudem
bilden die gelösten Fluoreszenzfarbstoffe in der Polymerma
trix Streuzentren, die zu erhöhter diffuser Reflexion führen.
Die erreichbare Farbstoffdichte zur Fluoreszenz ist gering,
und die Polymermatrix ist unter UV-Bestrahlung einer starken
Alterung unterworfen.
Verfahren zur Plasmabeschichtung, speziell auch zur Plasmapo
lymerisation, sind auch anderweitig bekannt, z. B. zur Her
stellung einer Oberflächenschutzschicht für Silbergegenstän
de, wie in der Offenlegungsschrift EP 0 570 944 A1 beschrie
ben. Das dortige Verfahren beinhaltet die Aufbringung einer
Gradientenschicht auf eine Silberoberfläche durch einen Be
schichtungsvorgang in einer Plasmapolymerisationsanlage unter
kontinuierlicher Gaszufuhr und Gasaustausch eines jeweils
verwendeten Monomers. Speziell wird eine erste Schichtzone
als eine Kopplungsschicht, die kovalente Bindungen enthält,
durch Einleiten eines Gases wie Ethylen oder Vinyltrimethyl
silan, eine zweite Schichtzone in Form einer permeationsver
hindernden Oberflächenschicht mittels kontinuierlichem Erset
zen dieses Gases durch ein weiteres Gas, wie Ethylen, und ei
ne dritte Schichtzone in Form einer Oberflächenversiegelungs
schicht mittels kontinuierlichem Ersetzen des vorhergehenden
Gases durch ein weiteres Gas, wie Hexamethyldisiloxan in Ver
bindung mit Sauerstoff, aufgebracht, um insgesamt eine auf
Silber haftende, chemisch resistente, kratzfeste und transpa
rente Schutzschichtstruktur zu bilden.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel
lung einer verbesserten Mehrfunktions-Verkapselungsschicht
struktur sowie eines Herstellungsverfahrens hierfür zugrunde,
mit denen sich photovoltaische Halbleiterbauelemente mit ver
gleichweise geringem Aufwand und für eine Serienproduktion
geeignet so verkapseln lassen, daß ihre photovoltaisch aktive
Schichtstruktur hermetisch abgedichtet ist, ohne daß die Ver
kapselungsschichtstruktur große mechanische Spannungen auf
sie ausübt und dennoch bei Bedarf die Schaffung einer kratz
festen Oberfläche und/oder einer fluoreszierenden Schichtzone
erlaubt.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
einer Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur mit den
Merkmalen des Anspruches 1 sowie eines Verfahrens zu ihrer
Herstellung mit den Merkmalen des Anspruches 5, 6 oder 7.
Die Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch
1 beinhaltet eine Gradientenschicht oder eine Folge überein
anderliegender Einzelschichten, die durch eine Plasmabe
schichtung aufgebracht ist und eine Diffusionssperrschichtzo
ne sowie eine elastische Schutzschichtzone aufweist, auf die
eine kratzfeste Oberflächenschicht aufbringbar ist. Die Plas
maabscheidung der Diffusionssperrschicht schützt die darun
terliegende photovoltaisch aktive Schichtstruktur vor einem
Eindiffundieren schädigender Substanzen aus der Atmosphäre,
wie Sauerstoff, Wasser- und andere Dämpfe, CO2, SO2 etc., so
wie vor einem Eindringen organischer Lösungsmittel, wie sie
in Reinigungsmitteln und Klebern enthalten sind, die bei der
Reinigung und Montage der Bauelemente Verwendung finden.
Hierzu trägt auch die ebenfalls mittels Plasmabeschichtung
abgeschiedene elastische Schutzschichtzone bei, die außerdem
wegen ihrer Elastizität keine oder jedenfalls keine störenden
mechanischen Spannungen auf die Unterlage ausübt bzw. über
trägt. Dies beugt der Gefahr von Ablösungserscheinungen in
der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur vor. Gleichzeitig
ist die elastische Schutzschichtzone so gebildet, daß sich
auf ihr eine kratzfeste Oberflächenschicht zuverlässig haf
tend aufbringen läßt, so daß die elastische Schutzschicht als
Anpassungsschicht zwischen der relativ harten Diffusions
sperrschicht und der ebenfalls relativ harten, kratzfesten
Oberflächenschicht fungiert.
Je nach Anwendungsfall besitzt die Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur durch entsprechende Wahl der
Schichtmaterialien und Plasmabeschichtungsparameter weitere
Funktionen, wie hohe Transparenz oder fluoreszierende Eigen
schaften, optische Vergütungswirkung durch Anpassung des Bre
chungsindex bzw. der Dicke der verwendeten Schichtstruktur,
einstellbare Oberflächenpolarität je nach Wahl Richtung hy
drophil oder hydrophob und Erzielung einer gewünschten Farb
gebung. Die Plasmaabscheidung läßt sich leicht in typische
Verfahren zur Serienherstellung von Dünnschichtsolarzellen
und ähnlichen photovoltaischen Halbleiterbauelementen inte
grieren, wobei z. B. die Abscheidung in einem Mikrowellenplas
ma ohne Schwierigkeiten auf nahezu beliebige Flächen hochska
lierbar ist. Die großflächige Beschichtung kann sowohl sta
tisch als auch dynamisch, d. h. mit bewegtem Substrat oder be
wegter Plasmaquelle, erfolgen.
Die Plasmabeschichtung ist ein sehr spaltgängiges Verfahren.
Es umhüllt die photovoltaischen Bauelemente samt allen deren
Strukturierungen, Kontakten und Rändern in idealer Weise.
Möglich ist zudem eine lokale Verstärkung der Abscheidung
durch lokalisierte Plasmaanwendung, z. B. am Rand oder an den
Kontaktbereichen. Kapillarwirkung und Einschlüsse, wie sie
von Lackierungen bekannt sind, treten nicht auf. Es lassen
sich sehr einfach optisch homogene Beschichtungen erzielen.
Die Kombinations- und Variationsmöglichkeiten der Verkapse
lungsschichtstruktur sind im Prinzip mit ein und derselben
Beschichtungseinrichtung realisierbar und lassen sich durch
Variation der Gaszufuhr und der Plasmaparameter einstellen,
wobei die Schichtstruktur als Gradientenschicht mit sich gra
duell verändernden Schichteigenschaften oder als Folge von
übereinanderliegenden Einzelschichten, bei der sich die
Schichteigenschaften mehr oder weniger abrupt ändern, aufge
baut sein kann.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Verkapselungs
schichtstruktur besteht die elastische Schutzschichtzone aus
einer Polymerschichtzone, auf die eine plasmabehandelte Poly
merfolie aufgebracht ist. Die kratzfeste Oberflächenschicht
entfällt in diesem Fall, oder sie wird auf die Polymerfolie
aufgebracht. Zur Herstellung einer solchen Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur eignet sich insbesondere das
Verfahren nach Anspruch 5.
Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Verkapselungs
schichtstruktur ist die kratzfeste Oberflächenschicht Be
standteil dieser Struktur, indem sie als kratzfeste Oberflä
chenschichtzone durch einen entsprechenden Plasmabeschich
tungsvorgang aufgebracht ist. Zur Herstellung einer solchen
Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur eignet sich insbe
sondere das Verfahren gemäß Anspruch 6.
Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Verkapselungs
schichtstruktur ist wenigstens eine von deren Schichtzonen
durch eine fluoreszierende Polymer-Schichtzone gebildet,
durch deren Fluoreszenzeigenschaften sich die Quantenausbeute
für das photovoltaische Halbleiterbauelement steigern läßt.
Zur Herstellung einer derartigen Mehrfunktions-Verkapselungs
schichtstruktur eignet sich insbesondere das Verfahren nach
Anspruch 7.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische, idealisierte Querschnittansicht
einer Dünnschichtsolarzelle mit Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur
Herstellung der Mehrfunktions-Verkapselungsschicht
struktur von Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur
Herstellung einer gegenüber derjenigen von Fig. 1
modifizierten Mehrfunktions-Verkapselungsschicht
struktur.
Fig. 1 zeigt in einem ausschnittweisen, idealisierten Quer
schnitt eine Dünnschichtsolarzelle mit erfindungsgemäßer
Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur. Das Bauelement
beinhaltet ein Glassubstrat 1, auf das eine photovoltaisch
aktive Schichtstruktur 2 aufgebracht ist, die herkömmlich in
Substrat- oder Superstrat-Bauweise aufgebaut ist und in er
sterem Fall wenigstens eine Rückkontaktschicht, eine darüber
liegende Absorberschicht und eine diese bedeckende, transpa
rente leitfähige Schicht (TCO) beinhaltet. Auf diese photo
voltaisch aktive Schichtstruktur 2 ist die Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur aufgebracht, die im gezeigten
Beispiel eine Diffusionssperrschichtzone 3, eine darüberlie
gende elastische Schutzschichtzone 4 und eine diese bedecken
de, kratzfeste Oberflächenschichtzone 5 umfaßt. Die drei
Schichtzonen 3, 4, 5 können je nach Depositionstechnik als
Teile einer Gradientenschicht mit sich graduell ändernden
Schichteigenschaften oder als Einzelschichten realisiert
sein. Die gesamte Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur
wird mittels Plasmabeschichtung, z. B. im Durchlaufverfahren
in einem Mikrowellenplasma, oder mittels konventioneller Ka
thodenzerstäubung hergestellt, wobei wenigstens die elasti
sche Schutzschichtzone 4 durch Plasmapolymerisation als ela
stische Polymerschicht gebildet ist, wozu beispielsweise
Hexamethyldisiloxan (HMDS) als Monomergas in das Plasma ein
gebracht wird. Alternativ können andere, siliziumhaltige or
ganische und/oder flüchtige aromatische Verbindungen, wie
Styrol, Toluol und Benzol, verwendet werden.
So läßt sich die Verkapselungsschichtstruktur von Fig. 1 bei
spielsweise dadurch realisieren, daß zur Bildung der Diffusi
onssperrschichtzone 3 zunächst HMDS mit reichlich Sauerstoff
in das Plasma eingebracht und dort vollständig oxidiert und
als amorphes SiOx auf dem Substrat 1 mit der photovoltaisch
aktiven Schichtstruktur 2 abgeschieden wird. Diese SiOx-
Schicht bildet eine sehr gute Diffusionssperre. Unter zuneh
mender Reduktion des Sauerstoffflusses und niedriger Plas
maleistung entsteht dann ein Übergang zu immer stärkerem Po
lymercharakter, wodurch die elastische Schutzschichtzone 4
aufgebracht wird, die wenig mechanische Spannungen auf die
darunterliegende Schichtstruktur ausübt und daher die Diffu
sionssperrschichtzone 3 und vor allem die photovoltaisch ak
tive Schichtstruktur vor entsprechenden mechanischen Bela
stungen bewahrt. Diese könnten ansonsten in ungünstigen Fäl
len zum Ablösen oder zu sonstigen Schädigungen von Schichten
innerhalb der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2 und
damit zu deren Funktionsausfall führen. Zur Bildung der
kratzfesten Oberflächenschichtzone 5 werden dann wiederum
ähnliche Abscheidebedingungen wie für die Diffusionssperr
schichtzone 3 gewählt, so daß die Oberflächenschichtzone 5
wieder vorwiegend anorganischen SiOx-Charakter besitzt. Al
ternativ kann ebenfalls in einem Mikrowellenplasma eine dia
mantähnliche Kohlenstoffschicht als die Oberflächenschichtzo
ne 5 aufgebracht werden. Eine solche Schicht besitzt eine
sehr hohe Härte und Kratzfestigkeit. Der dazu erforderliche
Kohlenstoff kann in Form eines einfachen Kohlenwasserstoffs,
wie Methan, Ethan oder Benzol, zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Hochvakuumanlage 6, mit der die
Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur von Fig. 1 herge
stellt werden kann und die eingangsseitig eine Magazinschleu
se 7 für zu verkapselnde Solarmodule aufweist. Die Solarmodu
le 8 beinhalten z. B. ein photovoltaisches Element mit einer
Absorberschicht aus CuInSe2 (CIS), deren Oberfläche aus elek
trisch leitfähigem, transparentem ZnO als äußerer Schicht der
photovoltaisch aktiven Schichtstruktur bedeckt ist. In einem
anschließenden Fertigungsschritt werden Kontaktbändchen oder
Drähte angebracht. In diesem unverkapselten Zustand werden
die Solarmodule 8 in die Schleuse 7 eingebracht. Von der Ma
gazinschleuse 7 werden die Solarmodule 8 in eine erste Vaku
umkammer 9 eingeführt. In dieser befindet sich eine Anordnung
zur Erzeugung eines von Mikrowellen angeregten Plasmas 15.
Alternativ ist eine konventionelle Kathodenzerstäubungstech
nik verwendbar. Bei Bedarf kann zunächst ein Reinigungs
schritt mittels eines Sauerstoffplasmas vorgesehen sein, mit
dem die ZnO-Oberfläche gereinigt und kontrolliert nachoxi
diert wird, was die Transmission verbessert und eine reakti
onsbereite Oberfläche erzeugt. Über ein Gaszufuhrsystem 10
wird dann in das Plasma 15 ein Gasgemisch aus einem inerten
Trägergas, einem Dampf von Hexamethyldisiloxan (HMDS) oder
einer ähnlichen, siliziumhaltigen organischen Verbindung, z. B.
Hexamethyldisilazan, sowie einem Reaktionspartner, z. B. Sau
erstoff, eingedüst. In dieser ersten Plasmabeschichtungskam
mer 9 wird der Beschichtungsprozeß so geführt, daß sich die
dichte und harte, im wesentlichen aus einer Siliziumoxid-
Verbindung bestehende, glasartige, polare Diffusionssperr
schichtzone 3 abscheidet, und zwar in der Regel mit einer
amorphen Struktur und in einer Dicke von typischerweise zwi
schen 0,1 µm und 1 µm. Der HMDS-Monomerfluß beträgt hierfür ty
pischerweise 30 sccm/min bis 50 sccm/min. Der Sauerstofffluß
beträgt zunächst ca. 80 sccm/min und wird langsam reduziert.
Das mit der Diffusionssperrschicht 3 versehene Bauelement 8
wird dann durch einen schlitzförmigen, möglichst engen Durch
gang 11 in eine zweite Vakuumkammer 12 transportiert, in der
sich wiederum ein gleichartiges Plasmabeschichtungssystem 13
wie in der ersten Kammer 9 befindet. In einem zum Prozeß in
der ersten Kammer 9 ähnlichen Verfahren wird in dieser zwei
ten Kammer 12 die elastische, polymerähnliche Schutzschicht 4
abgeschieden. Dies wird dadurch bewirkt, daß als Reaktionsgas
wiederum HMDS eingeleitet wird, dem jedoch kontinuierlich we
niger Sauerstoff beigemengt wird, verbunden mit der Wahl ei
ner niedrigen Plasmaenergie. Mit abnehmendem Sauerstoffanteil
geht die Diffusionssperrschichtzone 3 kontinuierlich in eine
dichte Plasmapolymerschicht aus reinem HMDS über, welche die
elastische Polymer-Schutzschichtzone 3 bildet. Die Abschei
dung der elastischen HMDS-Schicht wird für ca. 3 min vorgenom
men, wodurch diese eine Schichtdicke von ca. 0,7 µm erreicht.
Nach diesem Plasmapolymerisationsprozeß zur Abscheidung der
elastischen Polymer-Schutzschicht 4 wird das Bauelement 8
durch einen weiteren Schlitz 13 in eine dritte Plasmabe
schichtungskammer 14 transportiert, in der wiederum ein
gleichartiges Plasmabeschichtungssystem 17 vorgesehen ist wie
in den beiden anderen Kammern 9, 12. In der Kammer 14 wird
die Verkapselungsschichtstruktur durch Aufbringen der kratz
festen Oberflächenschicht vervollständigt, wozu HMDS-Monomer
mit einem gegenüber dem vorangegangenen Beschichtungsprozeß
für die elastische Polymerschicht 4 reduzierten Fluß von ca.
4 sccm/min und Sauerstoff mit einem wieder erhöhten Fluß von
ca. 80 sccm/min in das Plasma eingedüst wird. Der hohe Sauer
stoffüberschuß führt zu einer quarzähnlich harten Oberflä
chenschichtzone 5, die dicht gegen Lösungsmittel und kratzbe
ständig ist. Dieser Beschichtungsprozeß erfolgt für ungefähr
5 min. Die Gesamtschichtdicke der fertiggestellten Mehrfunkti
ons-Verkapselungsschichtstruktur beträgt damit typischerweise
zwischen etwa 1 µm und 2 µm. Die solchermaßen aufgebrachte Ver
kapselungsschichtstruktur zeigt eine sehr hohe Transparenz,
eine hohe Kratzfestigkeit sowie Dichtigkeit gegen Säuren und
Wasserdampf. Das auf diese Weise fertig verkapselte Solarmo
dul 8 wird über eine differentiell gepumpte Schlitzschleuse
18 aus der Anlage 6 herausgeführt. Abschließend werden die
Module 8 mit einer geeigneten Schneidevorrichtung 19 ge
trennt.
Alternativ zu der kratzfesten Oberflächenschichtzone 5 gemäß
Fig. 1 kann vorgesehen sein, auf die elastische Polymer-
Schutzschicht 4 eine Folie aufzulaminieren, die derart durch
eine Plasmabehandlung vorbereitet wird, daß sie direkt auf
die im Plasma abgeschiedene elastische Schutzschicht 4 ohne
weitere Klebstoffschicht und ohne besondere Druck- oder Tem
peraturanwendung aufgebracht werden kann. Fig. 3 zeigt eine
hierfür geeignete Plasmabeschichtungsanlage 6a, die bis auf
die dritte Beschichtungskammer derjenigen von Fig. 2 ent
spricht, wobei der Übersichtlichkeit halber funktionell glei
che Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die Beschichtung der Solarmodule 8 erfolgt somit in der Anla
ge von Fig. 3 hinsichtlich des Aufbringens der Diffusions
sperrschicht 3 und der elastischen Polymer-Schutzschicht 4
identisch wie oben zu Fig. 2 beschrieben.
Danach werden die Module 8 über den Schlitz 13 in eine als
Laminationskammer 20 gestaltete dritte Vakuumkammer transpor
tiert. In einer oberhalb dieser Kammer 20 angeordneten, groß
volumigen weiteren Vakuumkammer 21 befindet sich eine Rolle
22 mit einer transparenten Abdeckfolie 23, die z. B. aus Poly
carbonat (PC), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem anderen
hochwertigen, witterungsstabilen Polymer besteht. Mittels ei
ner in der großvolumigen Vakuumkammer 21 stattfindenden Be
handlung durch ein Plasma 24 wird die Oberfläche der Folie 23
einseitig aufgerauht und reaktiv gemacht. Durch einen Schlitz
25 gelangt die plasmabehandelte Folie 23 in die Laminations
kammer 20, wo sie mittels einer Walze 26 auf die vorbeilau
fenden Solarmodule 8 auflaminiert wird. Da sowohl die eine
Seite der Folie 23 als auch die von der elastischen Polymer-
Schutzschicht 4 bereitgestellte Oberfläche der Module 8 sehr
reaktionsbereit ist, ergibt sich bereits durch leichtes Auf
drücken der Folie 23 eine Kontaktverschweißung derselben mit
der elastischen Polymer-Schutzschicht 4. Diese wird noch ver
stärkt, wenn der Verbund nach dem Passieren der differentiell
gepumpten Schlitzschleuse 18 an Atmosphäre gelangt. Die Modu
le werden dann mit der Schneidevorrichtung 19 getrennt. Bei
Bedarf kann auf die auflaminierte Folie noch eine kratzfeste
Oberflächenschicht aufgebracht werden.
Wie sich aus der obigen Beschreibung der Anlagen gemäß den
Fig. 2 und 3 ergibt, lassen sich mit diesen die Solarmodule
in einem für die Serienfertigung gut geeigneten Durchlaufver
fahren mit der Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur
versehen, welche die verschiedenartigen Funktionen hinsicht
lich Schutz der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2, op
tischer Vergütung etc. erfüllt. Die Abscheidung in Mikrowel
lenentladungen ist problemlos auf große Flächen hochskalier
bar. Die Plasmabeschichtung stellt ein sehr spaltgängiges
Verfahren dar, mit dem sich speziell auch photovoltaische
Halbleiterbauelemente mit ihren geometrisch komplizierten
Oberflächen, z. B. aufgrund von Kontakten, Anschlußdrähten,
Kanten und Rändern, zuverlässig und gleichmäßig verkapseln
lassen. Die mittels Plasmadeposition aufgebrachte Mehrfunkti
ons-Verkapselungsschichtstruktur bedeutet gegenüber einer
herkömmlichen Glasplattenverkapselung Einsparungen hinsicht
lich Gewicht, Energieaufwand und Kosten. Die zuverlässige
Diffusionssperre mittels der Diffusionssperrschichtzone ge
währleistet eine hohe Lebensdauer und eine gleichbleibende
Qualität der photovoltaischen Bauelemente.
Es versteht sich, daß die genannten Funktionen der Verkapse
lungsschichtstruktur entweder in Form einer Gradientenschicht
oder in Form einer Folge von auf die jeweilige Funktion abge
stellten Einzelschichten realisierbar ist. Als Plasmabe
schichtungsanlage kommen neben den gezeigten auch andere An
lagen in Betracht, wie z. B. eine in der US-Patentschrift Nr.
4.939.424 beschriebene Anlage mit Elektron-Zyklotron
anordnung. Neben Sauerstoff kann gegebenenfalls auch ein an
deres reaktives Gas, wie z. B. Wasserstoff, beim Plasmabe
schichtungsprozeß verwendet werden. Als zur Polymerisation
geeignete Monomere sind neben Siloxanen auch fluorhaltige
Kohlenwasserstoffe, z. B. CF3H, und flüchtige Borverbindungen,
z. B. B2H6, verwendbar. Durch entsprechende Wahl der Monomer
materialien, der Art und Anwendung der Reaktivgase und der
Plasmabedingungen, wie Druck, Leistung, Gaszufuhr und Magnet
feld des Plasmas, können die Eigenschaften der abgeschiedenen
Schichten in weiten Grenzen variiert werden. Neben den be
reits genannten funktionellen Schichten der Verkapselungs
schichtstruktur kann letztere weitere Schichten enthalten,
z. B. eine Anpassungsschicht an die Oberfläche der photovol
taisch aktiven Schichtstruktur mit optimierter Haftung, die
vor der Diffusionssperrschicht mit hydrophobem Charakter zur
Erfüllung der Dampfsperrfunktion aufgebracht wird. Die polare
Natur der anschließenden elastischen Schicht vermag unpolare
organische Lösungsmittel abzuhalten. Durch weitere Zwischen
schichten kann bei Bedarf die Anpassung der verschiedenen
Funktionsschichten untereinander optimiert werden, z. B. mit
tels Zwischenschichten, wie sie in der europäischen Patentan
meldung Nr. 95106495.5 beschrieben sind, worauf verwiesen
wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann die Mehr
funktions-Verkapselungsschichtstruktur eine Fluoreszenz
schicht beinhalten, mit der sich ein sonst ungenutzter Spek
tralbereich des einfallenden Lichts photovoltaisch nutzen
läßt. Eine derartige fluoreszierende Schicht kann beispiels
weise dadurch mittels Plasmabeschichtung aufgebracht werden,
daß als Monomer das Reaktionsgas Styrol mit einem Fluß von
1 sccm/min bis 5 sccm/min in das Plasma eingeleitet wird. Bei
einer Abscheidedauer von ca. 5 min scheidet sich die fluores
zierende Schicht in einer Dicke von ca. 1 µm ab. Danach kann
der Styrol-Fluß gestoppt und, wenn die fluoreszierende, ela
stische Polymerschicht von einer quarzähnlichen, harten
Schicht bedeckt werden soll, HMDS-Monomer mit 4 sccm/min zu
sammen mit einem Sauerstofffluß von 80 sccm/min in das Plasma
geleitet werden. Bei einer Beschichtungsdauer von ca. 5 min
scheidet sich eine kratzfeste Schicht von ca. 0,2 µm ab. Mit
der fluoreszierenden Schichtzone läßt sich der Wirkungsgrad
der Solarzelle erhöhen, indem ansonsten nicht nutzbare Licht
anteile aufgrund des Fluoreszenzeffektes in nutzbare Lichtan
teile transferiert werden.
Claims (7)
1. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovol
taische Halbleiterbauelemente, die eine auf einem Träger
substrat (1) aufgebrachte, photovoltaisch aktive Schicht
struktur (2) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie eine Gradientenschicht oder eine Folge übereinanderlie
gender Einzelschichten beinhaltet, die mittels Plasmabe
schichtung aufgebracht ist und wenigstens eine Diffusions
sperrschichtzone (3) und eine elastische Polymer-Schutz
schichtzone (4) aufweist, auf die eine kratzfeste Oberflä
chenschicht (5) oder eine Polymerfolie (23) aufbringbar ist.
2. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch
1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß auf die elastische Po
lymer-Schutzschichtzone eine plasmabehandelte Polymerfolie
(23) aufgebracht ist.
3. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch
1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mittels Plas
mabeschichtung aufgebrachte Gradientenschicht beinhaltet,
welche neben der Diffusionssperrschichtzone (3) und der ela
stischen Polymer-Schutzschichtzone (4) zusätzlich die kratz
feste Oberflächenschicht (5) umfaßt.
4. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenig
stens eine ihrer Schichtzonen durch eine fluoreszierende Po
lymer-Schichtzone gebildet ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter
bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte,
photovoltaische aktive Schichtstruktur aufweisen, mit folgen
den Schritten:
- - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die pho tovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe schichtung, insbesondere durch Einbringen eines Gasge mischs, das eine siliziumorganische Verbindung und eine ge wisse Mindestmenge eines Reaktivgases enthält, in das Plas ma,
- - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge mischs, das eine siliziumorganische oder flüchtige aromati sche Verbindung und eine höchstens geringe Menge eines Re aktivgases enthält, in das Plasma und
- - einseitiges Plasmabehandeln einer Polymerfolie (23) und an schließendes Auflegen derselben auf die elastische Polymer- Schutzschichtzone und Zusammenlaminieren mit dieser.
6. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-Verkapse
lungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemen
te, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovol
taisch aktive Schichtstruktur aufweisen, mit folgenden
Schritten:
- - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe schichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine si liziumorganische Verbindung und eine gewisse Mindestmenge Sauerstoff enthält, in das Plasma,
- - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge mischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung, je doch eine höchstens geringe Menge Sauerstoff enthält, in das Plasma und
- - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschichtzone (5) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge mischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung und eine gewisse Mindestmenge Sauerstoff enthält, in das Plas ma.
7. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-
Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter
bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat (1) aufge
brachte, photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) aufweisen,
mit folgenden Schritten:
- - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe schichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das wenig stens Sauerstoff enthält, in das Plasma,
- - Aufbringen einer elastischen, fluoreszierenden Polymer- Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Ein bringen eines Gasgemischs, das Styrol oder ein anderes fluoreszensschichtbildendes Monomer enthält, in das Plasma und
- - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschicht (5) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine siliziumorganische Verbindung und eine gewisse Min destmenge Sauerstoff enthält, in das Plasma.
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