DE19732217C2 - Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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 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 SiO_x-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 füh­ ren kann, z. B. besonders auch bei Kupfer-Indium-Diselenid(CIS)- Solarzellen.

Da die Transmission der TCO-Schicht bei der Substrat-Bauweise bzw. des Substrats bei der Superstrat-Bauweise je nach verwendeten Materialien im UV-Bereich bis in den sichtbaren Spektralbereich des Sonnenlichts einge­ schränkt sein kann, wurde bereits die Verwendung fluoreszierender Schichten zur Steigerung der Solarzelleneffizienz in Form von Kollektoren bzw. Konzentratoren beschrieben, siehe z. B. die Veröffentlichung R. Reisfeld, Solar Energy Materials and Solar Cells, Bd. 33 (1994). In letzterer wird die Verwendung fluoreszierender Substanzen beschrieben, die in einer transparenten Polymermatrix gelöst sind. Diese Matrix ist jedoch rela­ tiv dick und selbst im energiereichen Spektralbereich absorbierend. Zudem bilden die gelösten Fluoreszenzfarbstoffe in der Polymermatrix Streuzent­ ren, die zu erhöhter diffuser Reflexion führen. Die erreichbare Farbstoff­ dichte zur Fluoreszenz ist gering, und die Polymermatrix ist unter UV- Bestrahlung einer starken Alterung unterworfen.

Verfahren zur Plasmabeschichtung, speziell auch zur Plasmapolymerisati­ on, sind auch anderweitig bekannt, z. B. zur Herstellung einer Oberflächen­ schutzschicht für Silbergegenstände, wie in der EP 0 570 944 A1 beschrieben. Das dortige Verfahren beinhaltet die Aufbringung einer Gradientenschicht auf eine Silberoberfläche durch einen Beschich­ tungsvorgang in einer Plasmapolymerisationsanlage unter kontinuierlicher Gaszufuhr und Gasaustausch eines jeweils verwendeten Monomers. Spe­ ziell wird eine erste Schichtzone als eine Kopplungsschicht, die kovalente Bindungen enthält, durch Einleiten eines Gases wie Ethylen oder Vinyltri­ methylsilan, eine zweite Schichtzone in Form einer permeationsverhin­ dernden Oberflächenschicht mittels kontinuierlichem Ersetzen dieses Ga­ ses durch ein weiteres Gas, wie Ethylen, und eine dritte Schichtzone in Form einer Oberflächenversiegelungsschicht mittels kontinuierlichem Er­ setzen des vorhergehenden Gases durch ein weiteres Gas, wie Hexa­ methyldisiloxan in Verbindung mit Sauerstoff, aufgebracht, um insgesamt eine auf Silber haftende, chemisch resistente, kratzfeste und transparente Schutzschichtstruktur zu bilden.

Aus der EP 0 631 328 A1 ist eine Mehrschicht- Verkapselungsstruktur für Solarzellen bekannt, bei der die Solarzelle vor­ der- und rückseitig von einer Füllschicht aus einem transparenten Harz, wie einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer, Butyralharz, Silikonharz, Epoxi­ harz oder einem fluorierten Polyimidharz, mit einer Mindestdicke von der Dicke der Solarzelle zuzüglich 75 µm bis 1400 µm umgeben ist, wobei typi­ sche Dicken der Füllschicht bei mehreren 100 µm bis über 1000 µm liegen. Zwischen Solarzelle und vorderseitiger Füllschicht kann eine Dampfsperr­ schicht mit typischen Dicken in der Größenordnung von 100 µm in Form eines Verbundmaterials aus einem Acrylharz und einem anorganischen Polymer, einem anorganischen Oxidreihen-Anstrichmaterial oder einem Siliziumdioxidmaterial vorgesehen sein. Über der vorderseitigen Füllschicht ist eine Oberflächenschutzschicht aus einem fluorhaltigen Harz vorgesehen, z. B. aus Polyethylentetrafluorethylen, Polyethylentrifluorid oder Polyvinyl­ fluorid. Auf die rückseitige Füllschicht ist eine Rückseitenschutzschicht aus Nylon oder Polyethylenterephtalat aufgebracht. Die Herstellung des Ver­ kapselungs-Schichtaufbaus erfolgt durch eine Laminattechnik. Dabei kann vor dem Aufbringen der Oberflächenschutzschicht die Oberfläche der Füll­ schicht beispielsweise durch eine Coronaentladung vorbehandelt werden, um ein ausreichendes Haftvermögen zu erzielen.

Diverse Plasmabeschichtungstechniken, auch zum Aufbringen von Schutzschichten auf Halbleiterbauelemente, sind in S. Pongratz und A. Zöller, Plasma ion-assisted deposition: A promising technique for optical coatings, J. Vac. Sci. Technol. A. Bd. 10 (4), 1992, Seite 1897 und in S. Winder­ baum et al., Application of plasma enhanced chemical vapor deposition silicon nitride as a double layer antireflection coating and passivation layer for polysilicon solar cells, J. Vac. Sci. Technol A. Bd. 15 (3), 1997, Seite 1020 und den Offenlegungsschriften EP 0 185 787 A1, EP 0 348 640 A2 und DE 41 36 987 A1 beschrieben.

In der Offenlegungsschrift JP 62-179164 (A) wird das Aufbringen einer re­ flexmindernden Oberflächenschicht in Form eines Gradientenfilms auf ein fotoelektrisches Halbleiterbauelement durch eine CVD-Depositionstechnik beschrieben, wobei der Gradientenfilm aus einem SiO_x-Film besteht, bei dem der Wert x zwischen 0 und 2 geändert werden kann. Dabei wirkt der Gradientenfilm auch als Verkapselungsschicht.

In der Offenlegungsschrift 37 00 620 A1 wird die Verwendung einer Passi­ vierschicht aus einem Siliziumoxinitrid-Material beschrieben, die sowohl eine Feuchtigkeits- wie auch eine Ionen-Sperrwirkung hat.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer ver­ besserten Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur sowie eines Her­ stellungsverfahrens hierfür zugrunde, mit denen sich photovoltaische Halb­ leiterbauelemente mit vergleichweise geringem Aufwand und für eine Se­ rienproduktion geeignet so verkapseln lassen, daß ihre photovoltaisch aktive Schichtstruktur hermetisch abgedichtet ist, ohne daß die Verkapse­ lungsschichtstruktur große mechanische Spannungen auf sie ausübt und dennoch bei Bedarf die Schaffung einer kratzfesten Oberfläche und/oder einer fluoreszierenden Schichtzone erlaubt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Mehrfunk­ tions-Verkapselungsschichtstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie von Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen der An­ sprüche 3, 4 oder 5.

Bei der Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1 schützt die Diffusionssperrschicht die darunterliegende photovoltaisch aktive Schichtstruktur vor einem Eindiffundieren schädigen­ der Substanzen aus der Atmosphäre, wie Sauerstoff, Wasser- und andere Dämpfe, CO₂, SO₂ etc., sowie vor einem Eindringen organischer Lö­ sungsmittel, 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 Polymer-Schutzschichtzone bei, die außerdem wegen ihrer E­ lastizität keine oder jedenfalls keine störenden mechanischen Spannungen auf die Unterlage ausübt bzw. überträgt. Dies beugt der Gefahr von Ablö­ sungserscheinungen in der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur vor. Gleichzeitig ist die elastische Schutzschichtzone so gebildet, daß sich auf ihr eine kratzfeste Oberflächenschicht zuverlässig haftend aufbringen läßt, so daß die elastische Schutzschicht als Anpassungsschicht zwischen der relativ harten Diffusionssperrschicht und der ebenfalls relativ harten, kratz­ festen Oberflächenschicht fungiert.

Je nach Anwendungsfall besitzt die Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur durch entsprechende Wahl der Schichtmaterialien und Plasmabeschichtungsparameter weitere Funktionen, wie hohe Transpa­ renz oder fluoreszierende Eigenschaften, optische Vergütungswirkung durch Anpassung des Brechungsindex bzw. der Dicke der verwendeten Schichtstruktur, einstellbare Oberflächenpolarität je nach Wahl Richtung hydrophil oder hydrophob und Erzielung einer gewünschten Farbgebung. Die Plasmaabscheidung läßt sich leicht in typische Verfahren zur Serien­ herstellung von Dünnschichtsolarzellen und ähnlichen photovoltaischen Halbleiterbauelementen integrieren, wobei z. B. die Abscheidung in einem Mikrowellenplasma ohne Schwierigkeiten auf nahezu beliebige Flächen hochskalierbar ist. Die großflächige Beschichtung kann sowohl statisch als auch dynamisch, d. h. mit bewegtem Substrat oder bewegter Plasmaquelle, erfolgen.

Die Plasmabeschichtung ist ein sehr spaltgängiges Verfahren. Es umhüllt die photovoltaischen Bauelemente samt allen deren Strukturierungen, Kon­ takten und Rändern in idealer Weise. Möglich ist zudem eine lokale Ver­ stärkung 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 lasen sich sehr einfach optisch homogene Beschichtungen erzielen. Die Kombinations- und Variationsmöglichkeiten der Verkapselungsschichtstruktur sind im Prinzip mit ein und derselben Beschichtungseinrichtung realisierbar und lassen sich durch Variation der Gaszufuhr und der Plasmaparameter ein­ stellen, wobei die Schichtstruktur als Gradientenschicht mit sich graduell verändernden Schichteigenschaften oder als Folge von übereinanderlie­ genden Einzelschichten, bei der sich die Schichteigenschaften mehr oder weniger abrupt ändern, aufgebaut sein kann.

Bei der Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1 ist des weiteren wenigstens eine von deren Schichtzonen durch eine fluoreszierende Poly­ mer-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 5.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Verkapselungsschichtstruktur besteht die elastische Schutzschichtzone aus einer Polymerschichtzone, auf die eine plasmabehandelte Polymerfolie und/oder eine kratzfeste Ober­ flächenschicht aufgebracht ist. Zur Herstellung einer solchen Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur mit Polymerfolie eignet sich insbesonde­ re das Verfahren nach Anspruch 3.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die kratzfeste Oberflächenschicht Bestandteil dieser Struktur, indem sie als kratzfeste Oberflächenschichtzo­ ne durch einen entsprechenden Plasmabeschichtungsvorgang aufgebracht ist. Zur Herstellung einer solchen Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur eignet sich insbesondere das Verfahren gemäß Anspruch 4.

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-Verkapselungs­ schichtstruktur,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstel­ lung der Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur von Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstel­ lung einer gegenüber derjenigen von Fig. 1 modifizierten Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur.

Fig. 1 zeigt in einem ausschnittweisen, idealisierten Querschnitt eine Dünnschichtsolarzelle mit erfindungsgemäßer Mehrfunktions-Verkap­ selungsschichtstruktur. Das Bauelement beinhaltet ein Glassubstrat 1, auf das eine photovoltaisch aktive Schichtstruktur 2 aufgebracht ist, die her­ kömmlich in Substrat- oder Superstrat-Bauweise aufgebaut ist und in erste­ rem Fall wenigstens eine Rückkontaktschicht, eine darüberliegende 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, 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 SiO_x auf dem Substrat 1 mit der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2 abgeschieden wird. Diese SiO_x- Schicht bildet eine sehr gute Diffusionssperre. Unter zuneh­ mender Reduktion des Sauerstofflusses 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 SiO_x-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. 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. Sauerstoff, 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 16 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 Polycarbonat (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 auf laminierte 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 kompizierten 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 gewährleistet 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 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 EP 0 739 655 A1 beschrieben sind.

Die Mehr­ funktions-Verkapselungsschichtstruktur enthält eine Fluoreszenz­ schicht, mit der sich ein sonst ungenutzter Spektralbereich 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 (5)

1. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halb­ leiterbauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat (1) aufgebrach­ te, photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sie eine Schicht mit sich graduell ändernden Schichteigenschaften, die mittels Plasmabeschichtung aufgebracht ist und wenigstens ei­ ne Diffusionssperrschichtzone (3) und eine elastische, aus einem plasmapolymerisierbaren Monomer aufgebaute Polymer-Schutz­ schichtzone (4) aufweist, oder eine Folge übereinanderliegender Einzelschichten beinhaltet, die mittels Plasmabeschichtung aufge­ bracht ist und wenigstens eine Diffusionssperrschichtzone (3) und eine elastische, aus einem plasmapolymerisierbaren Monomer aufgebaute Polymer-Schutzschichtzone (4) aufweist, und
• - wenigstens eine der Schichtzonen der Gradientenschicht oder der Einzelschichtfolge durch eine fluoreszierende Polymer-Schichtzone gebildet ist.

2. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß auf die elastische Polymer- Schutzschichtzone eine plasmabehandelte Polymerfolie (23) und/oder eine kratzfeste Oberflächenschicht (5) aufgebracht ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovoltaische aktive Schicht­ struktur aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovol­ taisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabeschichtung,
• - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mit­ tels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine siliziumorganische oder flüchtige aromatische Verbindung oder eine fluorhaltige Kohlenwasserstoff-Verbindung und eine höchstens geringe Menge eines Reaktivgases enthält, in das Plasma und
• - einseitiges Plasmabehandeln einer Polymerfolie (23) und anschlie­ ßendes Auflegen derselben auf die elastische Polymer- Schutzschichtzone und Zusammenlaminieren mit dieser.

4. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovoltaisch aktive Schicht­ struktur aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovol­ taisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine siliziumorganische Ver­ bindung und eine gewisse Mindestmenge Sauerstoff enthält, in das Plasma,
• - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mit­ tels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung, jedoch eine höchs­ tens geringe Menge Sauerstoff enthält, in das Plasma und
• - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschichtzone (5) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung und eine gewisse Mindest­ menge Sauerstoff enthält, in das Plasma.

5. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat (1) aufgebrachte, photovoltaisch aktive Schicht­ struktur (2) aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovol­ taisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das wenigstens Sauerstoff enthält, in das Plasma,
• - Aufbringen einer elastischen, fluoreszierenden Polymer- Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Einbrin­ gen eines Gasgemischs, das Styrol oder ein anderes fluoreszenz­ schichtbildendes Monomer enthält, in das Plasma und
• - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschicht (5) mittels Plas­ mabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine si­ liziumorganische Verbindung mit einer gewissen Mindestmenge Sauerstoff oder eine flüchtige Borverbindung enthält, in das Plas­ ma.