DE212009000031U1

DE212009000031U1 - Vorrichtung zum Aufbringen einer dünnschichtigen Pufferschicht auf einen flexiblen Träger

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Publication number: DE212009000031U1
Application number: DE200921000031
Authority: DE
Original assignee: Global Solar Energy Inc
Current assignee: Global Solar Energy Inc
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: WO2009111054A1; US20100086699A1; US8609182B2

Abstract

Vorrichtung zum Aufbringen einer dünnschichtigen Pufferschicht auf einen flexiblen Träger:
mit einer Mehrzahl von Transportrollen, die innerhalb eines Aufbringungsbereichs angeordnet sind, und eine kontinuierlich flexible Bahn des Trägermaterials durch den Aufbringungsbereich in einer Längsrichtung befördern;
mit zumindest einem Dispenser zum Verteilen einer metallhaltigen Lösung auf einer Deckfläche der Bahn mit einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Zink, Cadmium, Quecksilber, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium, und einer Chalcogen-haltigen Lösung mit einem Chalcogen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur;
mit einem Anhebungsmechanismus zum Anheben der transversalen Kantenbereiche der Bahn bezüglich eines zentralen Bereichs der Bahn, um zumindest einen Bereich der metallhaltigen Lösung und zumindest einen Bereich der Chalcogen-haltigen Lösungen im Wesentlichen zur Deckfläche der Bahn zu begrenzen; und
mit einem Niederhaltemechanismus zum im Wesentlichen Ebenhalten des mittleren Bereichs der Bahn, während die...

Description

Querverweis zur zugehörigen Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U. S. C. § 119 und anwendbares ausländisches und internationales Recht der US Provisorischen Patent Anmeldung Seriennummer 61/068,458, eingereicht am 05. März 2008, dessen Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt des gesamten Aufnehmens der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Hintergrund
Das Anwendungsgebiet der Photovoltaik bezieht sich üblicherweise auf mehrschichtige Materialien, die das Sonnenlicht direkt in elektrischen Gleichstrom umwandeln. Der Basismechanismus für diese Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der 1905 durch Einstein in einer wegweisenden wissenschaftlichen Abhandlung zuerst korrekt beschrieben wurde, für die er mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. In den Vereinigten Staaten sind photovoltaische (PV) Vorrichtungen als Solarzellen oder PV-Zellen weitgehend bekannt. Solarzellen werden typischerweise als zusammenwirkendes Sandwich von p-Typ- und n-Typ-Halbleitern erstellt, in dem das n-Typ-Halbleitermaterial (auf einer „Seite” des Sandwichs) einen Überschuss von Elektronen, und das p-Typ-Halbleitermaterial (auf der anderen „Seite” des Sandwichs) einen Überschuss von Löchern ausweisen, wobei jedes von ihnen das Fehlen eines Elektrons bedeutet. In der Nähe der p-n-Kontaktstelle zwischen zwei Materialien bewegen sich die Valenzelektronen von der n-Typ-Schicht in die benachbarten Löcher in der p-Typ-Schicht, wobei ein kleines elektrisches Ungleichgewicht innerhalb der Solarzelle erzeugt wird. Dies führt zu einem elektrischen Feld in der Umgebung der Kontaktstelle.
Wenn ein Einfallsphoton ein Elektron in der Zelle in das Leitungsband hinein anregt, wird das angeregte Elektron nicht von den Atomen des Halbleiters gebunden, sondern erzeugt ein freies Elektron/Loch-Paar. Weil, wie oben beschrieben, die p-n-Kontaktstelle ein elektrisches Feld in der Umgebung der Kontaktstelle erzeugt, neigen die Elektron/Loch-Paare, die so in der Nähe der Kontaktstelle erzeugt werden, dazu, sich von der Kontaktstelle zu trennen und wegzubewegen, wobei sich das Elektron in Richtung der Elektrode auf der n-Typ-Seite und das Loch sich in Richtung der Elektrode auf der p-Typ-Seite der Kontaktstelle bewegen. Dies erzeugt insgesamt ein Ladungsungleichgewicht in der Zelle, so dass sich die Elektronen, wenn eine äußere leitende Bahn zwischen den beiden Seiten der Zelle vorgesehen ist, von der n-Typ-Seite zurück zur p-Typ-Seite entlang der äußeren Bahn bewegen werden, wobei ein elektrischer Strom erzeugt wird. In der Praxis können Elektronen an oder nahe bei der Oberfläche des n-Typ-Bereichs der Oberfläche gesammelt werden, während nach wie vor ein ausreichender Zugang in die Zelle durch die Einfallsphotonen ermöglicht wird.
Diese photovoltaische Anordnung bildet eine funktionsfähige PV-Vorrichtung, wenn geeignete fixierte elektrische Kontakte ausgewiesen werden und die Zelle (oder eine Reihe von Zellen) in einem geschlossenen elektrischen Schaltkreis enthalten ist. Als eigenständige Vorrichtung ist eine einzelne herkömmliche Solarzelle nicht ausreichend, um die meisten Anwendungen mit Strom zu versorgen. Folglich sind Solarzellen gemeinsam in PV-Modulen, oder „Ketten”, durch Verbinden der Vorderseite einer Zelle mit der Rückseite der anderen angeordnet, wodurch die Spannungen der einzelnen Zellen zusammen in elektrisch geschalteten Reihen addiert werden. Typischerweise wird eine signifikante Anzahl von Zellen in Reihe geschaltet, um eine nutzbare Spannung zu erreichen. Der sich ergebende Gleichstrom kann dann durch einen Inverter geleitet werden, wo er in Wechselstrom mit einer geeigneten Frequenz transformiert wird, welche ausgewählt wird, um die Frequenz des Wechselstroms, die durch ein herkömmliches elektrisches Netz zugeführt wird, anzupassen. In den USA beträgt diese Frequenz 60 Hertz (Hz), und in den meisten anderen Ländern wird der Wechselstrom bei entweder 50 Hz oder 60 Hz vorgesehen.
Ein besonderer Solarzellentyp, der für den kommerziellen Nutzen entwickelt worden ist, ist eine „dünnschichtige” PV-Zelle. Im Vergleich mit anderen PV- Zelltypen, wie z. B. kristalline Silizium-PV-Zellen, erfordern die dünnschichtigen PV-Zellen weniger Licht absorbierendes Material, um eine funktionsfähige Zelle zu erzeugen, und somit können die Verfahrenskosen reduziert werden. Auf Dünnschicht basierende PV-Zellen bieten ebenfalls reduzierte Kosten durch Verwendung bisher entwickelter Aufbringungstechniken, die weitgehend in der Dünnschichtindustrie für schützende, dekorative und funktionale Beläge verwendet werden. Gemeinsame Beispiele von kostengünstigen Dünnschicht-Produkten umfassen wasserundurchlässige Beläge auf Polymer-basierenden Lebensmittelverpackungen, dekorative Beläge auf Bauglas, thermisch geregelte Beschichtungen mit geringem Emissionsvermögen auf Glas in Wohnbauten und gewerblichen Bauten, und Kratz- und Antireflex-Beschichtungen auf Brillen. Angepasste oder modifizierte Techniken, die in diesen anderen Anwendungsgebieten entwickelt worden sind, haben eine Reduktion bei den Entwicklungskosten für dünnschichtige Aufbringungstechniken bei PV-Zellen ermöglicht.
Außerdem werden dünnschichtige Zellen, insbesondere diejenigen, die eine Sonnenlicht-Absorptionsschicht aus Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Indium-Disulfid, Kupfer-Indium-Aluminium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid verwenden, mit Wirkungsgraden nahe 20% ausgewiesen, die den Wirkungsgraden der meisten effizienten kristallinen Zellen gleichkommen oder überschreiten. Insbesondere ist das Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) stabil, weist eine geringe Toxizität auf, und ist in der Tat eine dünne Schicht, die eine Dicke von weniger als 2 Mikron in einer funktionsfähigen PV-Zelle erfordert. Folglich scheint CIGS bis heute das größte Potential für Hochleistung, kostengünstige dünnschichtige PV-Produkte und somit das Durchdringen großer Energieerzeugungsmärkte darzustellen.
Einige dünnschichtige PV-Materialien können entweder auf steifen Glasträgern oder flexiblen Trägern aufgebracht werden. Glasträger sind relativ billig, weisen üblicherweise einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung auf, der relativ nahe mit der CIGS oder anderen Absorptionsschichten übereinstimmt und ermöglichen die Nutzung von Vakuum-Aufbringungssystemen. Jedoch leiden diese steifen Träger unter verschiedenen Mängeln, wie z. B. der Notwendigkeit für eine beträchtliche Bodenfläche für die Verarbeitungsausrüstung und Materialbevorratung, spezielle Hochleistungs-Handlingausrüstung, hohe Gefahr für Trägerbruch, erhöhte Versandkosten infolge des Gewichts und der Glasspezialität sowie der Installationsschwierigkeiten. Folglich ist die Verwendung von Glasträgern nicht optimal für die ertragreiche kommerzielle Großserienfertigung von mehrlagigen funktionalen dünnschichtigen Materialien, wie z. B. die Photovoltaik.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die von Rolle-zu-Rolle-Bearbeitung der dünnen flexiblen Träger die Anwendung von kompakten preiswerten Vakuumsystemen und von nicht spezieller Ausrüstung, die schon für andere Dünnschichtindustrien entwickelt worden ist. Die PV-Zellen auf der Basis von dünnen flexiblen Trägermaterialien weisen auch eine relativ hohe Toleranz gegenüber schnellem Aufheizen und Abkühlen und großen Temperaturgradienten (was zu einer geringen Bruch- oder Fehlerwahrscheinlichkeit während der Bearbeitung führt) auf, erfordern vergleichsweise geringe Versandkosten und weisen eine einfache Installation auf als auf steifen Trägern basierende Zellen.
Ein besonderer Typ von n-Typ-Halbleitermaterial, das in dünnschichtigen PV-Zellen verwendet werden kann, ist aus dem Anwendungsgebiet der Chemie als Chalcogenid bekannt. Ein Chalcogenid ist eine chemische Verbindung, die aus zumindest einem Chalcogen-Ion und zumindest einem weiteren elektropositiven Element, wie z. B. Metall, besteht. Das Bilden einer dünnen Schicht von Chalcogenid wird beim Stand der Technik, zum Beispiel im US-Patent Nr. 6,537,845 , von McCandless et al., beschrieben, die hiermit in die vorliegende Offenbarung durch Bezugnahme in jeder Hinsicht aufgenommen wird. Das Bilden von Chalcogenid-Schichten mit einer gewünschten Dicke und Gleichmäßigkeit bleibt jedoch eine technische Herausforderung und Verbesserungen sind notwendig.
Historisch gesehen, läuft die Bildung einer dünnschichtigen Pufferschicht oder Schichten oft durch einen relativ ineffizienten zyklischen Ablauf ab, der das Aufheizen der Träger in einem Wasser enthaltenden Behälter auf eine höhere Temperatur, das Hinzufügen und Mischen in einem metallischen Salz, und danach das Hinzufügen und Mischen in einer Chalcogen-haltigen Komponente umfasst. Nach einer vorgeschriebenen Zeit bei einer vorgeschriebenen Temperatur ist die Reaktion vollständig, die Träger werden entfernt, die verwendete Lösung wird zur Abfallbehandlung gesandt, die Reaktionsmittel-haltige Lösung wird auf die Bahn aufgebracht, und der Behälter für die nächste Reaktion gereinigt. Zusätzlich führen die bestehenden Verfahren zum Aufbringen der Reaktionsmittel-haltigen Lösung auf die Bahn typischerweise zur Aufbringung der Chalcogenide sowohl über die gewünschte („Vorder-” oder „Deck-”)Fläche der Bahn, als auch über mindestens einen Bereich der anderen („Rück-” oder „Boden-”)Fläche der Bahn, wobei zumindest ein Reinigungsschritt erforderlich ist, um das Material von der Rückfläche zu entfernen. Dies wird typischerweise mit einer sauren Lösung durchgeführt, die sorgfältig überwacht und vollständig entfernt werden muss, um Beschädigungen an den gewünschten dünnschichtigen Schichten und langfristige Korrosionsprobleme zu vermeiden, die durch das Vorhandensein des restlichen Säuregehaltes aktiviert wird.
Wenn außerdem Reaktionslösungen die Rückseite des Trägers erreichen, entweder weil der gesamte Träger in einem Reaktionslösungsbad eingetaucht ist, oder weil die auf die Deckfläche des Trägers aufgebrachten Lösungen unzureichend auf der Deckseite aufgenommen sind, ist es schwierig oder unmöglich, alle überschüssigen Chalcogenide zu entfernen, die auf der Rückseite des Trägers und/oder irgendwelchen Heizelementen ausgebildet sind. Dies kann das Ausmaß der Wärme, die das obere Ende des Trägers erreicht, beeinflussen. Chalcogenide, die auf der Unterseite des Trägers aufgebracht sind, können zum Beispiel die Wärmekapazität des Trägers und die thermische Leitfähigkeit beeinflussen, und Chalcogenide, die auf den Heizgeräten aufgebracht sind, können das Emissionsvermögen und/oder thermische Leitfähigkeit der Heizgeräte beeinflussen. Außerdem können diese Auswirkungen ungleichmäßig über die Breite des Trägers sein.
Diese unerwünschte Chalcogenid-Aufbringung auf der Unterseite des Trägers und/oder auf irgendwelchen Heizelementen, die auf dieser Seite des Trägers angeordnet sind, kann zu einer schlecht geregelten Trägertemperatur und der entsprechenden Ausbildung einer Chalcogenid-Pufferschicht mit unerwünschten Eigenschaften führen. Wenn zum Beispiel das Ausmaß der Wärme, die die Deckfläche des Trägers erreicht, infolge der Chalcogenid-Ausbildung unter dem Träger verringert wird, kann dies zu der Ausbildung einer unerwünschten dünnen Chalcogenid-Pufferschicht auf der Deckfläche führen. Ebenso kann dies, wenn das Ausmaß der Wärme, die die Deckfläche des Trägers erreicht, ungleichmäßig infolge der ungleichmäßigen Chalcogenid-Ausbildung unter dem Träger ist, zur Ausbildung einer unerwünschten un gleichmäßigen Chalcogenid-Pufferschicht auf der Deckfläche führen. Diese Auswirkungen können infolge der schwer einschätzbaren und nicht regelbaren Chalcogenid-Ausbildung unter dem Träger schwierig zu regeln sein.
Beim Stand der Technik ist das Aufbringen einer Chalcogenid-Schicht auf eine Trägerbahn in einem von Rolle-zu-Rolle-Ablauf und das Anheben der seitlichen Kanten der Trägerbahn bekannt, zum Beispiel durch Ziehen der Bahnkanten über die vertikalen Schienen, um den Lösungsaufnahme zu verbessern. Jedoch führt dies typischerweise zu unerwünschten Knickkräften auf der Bahn, wodurch ein Aufrechterhalten eines gewünschten Grades der Ebenheit im Aufbringungsbereich erschwert wird. Gleichzeitig verwenden frühere Systeme einen Niederhaltemechanismus, wie zum Beispiel ein oder mehr Räder, um die Bahn in Kontakt mit einer Barunterliegenden Fläche, wie zum Beispiel einem leitfähigen Heizgerät, zu halten. Jedoch erzeugt dies Wärmestaus auf dem Träger, was zu unerwünschten Ungleichmäßigkeiten in der Chalcogenid-Schicht führt. Es ist auch beim Stand der Technik bekannt, die gesamte Bahn in Längsrichtung zu neigen, um die Tiefe der Reaktionslösungen auf der Bahn zu regeln. Jedoch sind diese früheren Systeme nicht für mehrere Neigungseinstellungen bei verschiedenen Bereichen des Aufbringungsbereichs vorgesehen, und somit kann keine ausreichende Regelung über die Lösungstiefe und die entsprechende Chalcogenid-Dicke vorgesehen werden. Für alle obigen Gründe sind verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Aufnehmen von Chalcogenid-Reaktionsmittel zur vorderen oder Deckfläche eines Trägers wünschenswert.
Zusammenfassung
Die vorliegende Lehre offenbart verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Bilden von dünnschichtigen Chalcogenid-Pufferschichten auf einer Trägerbahn. Gemäß der vorliegenden Lehre können Lösungen, die Reaktionsmittel für die Chalcogenid-Schicht enthalten, im Wesentlichen an der Vorderfläche der Bahn aufgenommen werden, wodurch die unerwünschte Aufbringung des Chalcogenids auf der Rückseite vermieden wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine Draufsicht einer dünnschichtigen photovoltaischen Zelle gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Ausbilden einer dünnschichtigen Schicht auf einer Trägerbahn.
3 ist eine teilweise Schnittansicht einer Transportrolle mit einem konkaven transversalen Profil, um die transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn anzuheben, während die Bahn abgestützt und transportiert wird.
4 ist eine teilweise Schnittansicht einer transversalen Anhebungsanordnung mit einem konkaven transversalen Profil, um die transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn während des Transportierens der Bahn anzuheben.
5 ist eine teilweise Schnittansicht der Kegelstumpf-förmigen Lagerflächen, die die transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn anheben.
6 ist eine teilweise Schnittansicht von angewinkelten Anhebungsanordnungen, die an transversalen Kanten einer Transportrolle angeordnet sind und die die transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn abstützten.
7 ist eine teilweise Schnittansicht von angewinkelten Anhebungsanordnungen, die vor einer Transportrolle angeordnet sind und die die transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn abstützen.
8 ist eine teilweise seitliche Draufsicht der transversalen Kantenbereiche einer Trägerbahn, die durch Kegelstumpf-förmige Lagerflächen angehoben werden, während die Bahn durch Transportrollen transportiert wird.
9 ist eine Seitenansicht, die Details einer Niederhalteanordnung darstellt, um eine Trägerbahn mit einem darunterliegenden Transportmechanismus in Kontakt zu halten.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Paar von Niederhalteanordnungen darstellt, die eine Trägerbahn mit einem darunterliegenden Transportmechanismus in Kontakt halten.
11 ist eine schematische Draufsicht von Bereichen einer Vorrichtung zum Transportieren einer Trägerbahn durch einen Aufbringungsbereich, die die relative Anordnung der Transportrollen, Anhebungsanordnungen und Niederhaltemechanismen darstellt.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Ausbilden einer dünnschichtigen Chalcogenid-Pufferschicht auf einer Trägerbahn veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
I. Einführung
Die Herstellung von flexiblen dünnschichtigen PV-Zellen kann durch einen von Rolle-zu-Rolle-Fertigungsablauf ausgeführt werden. Im Vergleich mit steifen Trägern, ermöglicht die von Rolle-zu-Rolle-Bearbeitung der dünnen flexiblen Träger die Anwendung von relativ kompakten, preiswerten Vakuum-Systemen, und von einer gewissen, nicht speziellen Ausrüstung, die schon für andere Dünnschicht-Industrien entwickelt worden ist. Flexible inhärente Trägermaterialien weisen eine niedrigere Wärmekapazität als Glas auf, so dass die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur zu erhöhen, minimiert wird. Sie weisen auch eine relativ hohe Toleranz zum schnellen Aufheizen und Abkühlen und zu großen Temperaturgradienten aus, was zu einer geringen Bruch- oder Fehlerwahrscheinlichkeit während der Bearbeitung führt. Sobald zusätzlich aktive PV-Materialien auf flexible Trägermaterialien aufgebracht sind, können die sich ergebenden nicht laminierten Zellen oder Zellketten zu einer anderen Anlage zum Laminieren und/oder Zusammenbau von flexiblen oder steifen Solarmodulen versandt werden. Diese strategische Option reduziert sowohl die Versandkosten (leichtgewichtige flexible Träger gegenüber Glas), und ermöglicht auch die Erzeugung von Partnergeschäften für die Endbearbeitung und dem weltweiten Marketing der PV-Module.
Eine oder mehrere der Schichten, die in einer dünnschichtigen PV-Zelle aufgebracht sind, ist typischerweise eine „Fensterschicht(en)”, die nutzbarem Licht ermöglicht, in das Innere der Zelle einzudringen, und die in einigen Fällen auch als n-Typ-Halbleitermaterial in der Zelle dient. Diese Schicht kann sich auch auf eine „Pufferschicht” im PV-Zellenbereich beziehen. Wenn sie sowohl als Fensterschicht als auch als Halbleiter verwendet werden, sollte die Pufferschicht idealerweise sowohl im Wesentlichen transparent zum Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich sein als auch die geeigneten elektronischen Eigenschaften ausweisen. Die Pufferschicht könnte auch aus mehreren Fensterschichten bestehen, die auch als Halbleiter wirken, wie zum Beispiel eine Schicht aus Cadmiumsulfid, gefolgt von einer Schicht aus Cadmium-Zink-Sulfid. Eine dünnschichtige Pufferschicht mit den gewünschten Eigenschaften kann durch die chemische Reaktion zwischen einem oder mehreren Metallen, wie zum Beispiel Zink, Cadmium, Blei, Quecksilber oder irgendeinem Metall oder eine Kombination von Metallen, die aus den Gruppen 1b, 2b, oder 3a des Periodensystems der Elemente ausgewählt werden, und einem Chalcogen, wie zum Beispiel Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur, gebildet werden. Die sich ergebenden Verbindungen werden oft als Chalcogenide bezeichnet. Geeignete Fenster- oder Pufferschichtverbindungen für Solareinrichtungen können zum Beispiel Cadmiumsulfid, Zinksulfid, Zink-Selenid, Cadmium-Zink-Selenid, Zinkoxyd und Cadmium-Zink-Oxyd umfassen.
1 stellt eine Draufsicht einer dünnschichtigen photovoltaischen Zelle 10 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar. Die Zelle 10 ist im Wesentlichen eben und typischerweise rechtwinklig, wie in 1 veranschaulicht, obwohl die Formen mit Ausnahme der rechteckigen geeigneter für spezifische Anwendungen, wie zum Beispiel für ein speziell geformtes Hausdach oder eine andere Oberfläche, sein können. Die Zelle weist eine Deckfläche 12, Bodenfläche 14, entgegengesetzt zur Deckfläche, und Dimensionen mit einer Länge L, Breite W und Dicke auf. Die Länge und Breite können für eine passende Anwendung der Zellen und/oder für die Zweckmäßigkeit während der Bearbeitung ausgewählt werden, und liegen typischerweise in einem Bereich von wenigen Zentimetern (cm) bis zum Zehnfachen davon. Die Länge kann zum Beispiel ungefähr 100 (mm) und die Breite ungefähr 210 mm sein, obwohl jede andere geeignete Dimension ausgewählt werden kann. Die Kanten, die sich über die Breite der Zelle spannen, können jeweils als Vorderkante 16 und Hinterkante 18 bezeichnet werden. Die gesamte Dicke der Zelle 10 hängt von den besonderen Schichten, die für die Zelle ausgewählt werden, ab und wird typischerweise durch die Dicke des darunterliegenden Trägers der Zelle dominiert. Zum Beispiel kann ein Träger aus Edelstahl eine Dicke im Bereich von 0,025 mm (25 Mikron) aufweisen, wohingegen alle anderen Schichten der Zelle (nicht eingeschlossen ist ein oberes Sammelnetz) eine kombinierte Dicke im Bereich von ungefähr 0,0025 mm (2,5 Mikron) oder weniger aufweisen.
Die Zelle 10 wird beim Anlaufen mit einem flexiblen Träger erzeugt, und danach werden sequentiell mehrere dünne Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf den Träger aufgebracht. Dieser Aufbau kann durch einen von Rolle-zu-Rolle-Ablauf ausgeführt werden, wobei der Träger von einer Abwickel-Rolle zu einer Aufwickel-Rolle befördert wird, wobei er durch eine Reihe von Aufbringungsbereichen zwischen den beiden Rollen befördert wird. Das PV-Material kann dann zu Zellen von jeder gewünschten Größe ausgeschnitten werden. Das Trägermaterial in einem von Rolle-zu-Rolle-Ablauf ist üblicherweise dünn, flexibel, und kann eine relative Hochtemperaturumgebung tolerieren. Geeignete Materialien umfassen, zum Beispiel, ein Hochtemperatur-Polymer, wie zum Beispiel Polyimid, oder ein dünnes Metall, wie zum Beispiel Edelstahl oder Titan, unter anderem. Sequentielle Schichten werden typischerweise auf den Träger in einzelnen Bearbeitungskammern durch verschiedene Fertigungsabläufe, wie zum Beispiel Bedampfung, Verdampfung, Vakuumaufbringung, chemische Aufbringung, und/oder Drucken, aufgebracht. Diese Schichten können eine rückseitige Kontaktschicht aus Molybdän (Mo) oder Chrom/Molybdän (Cr/Mo); eine Absorptionsschicht aus einem Material, wie zum Beispiel Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Indium-Disulfid, Kupfer-Indium-Aluminium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS); eine Pufferschicht oder Schichten, wie zum Beispiel eine Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS); und eine transparente leitfähige Oxid-(TCO)-Schicht, die als obere Elektrode der PVC-Zelle wirkt, umfassen. Zusätzlich wird ein leitfähiges Stromsammelnetz, das üblicherweise vor allem aus Silber (Ag) oder irgendeinem anderen leitenden Metall erstellt wird, über die TCO-Schicht aufgebracht.

Obwohl die genaue Dicke von jeder Schicht auf einer dünnschichtigen PV-Zelle von der genauen Auswahl der Materialien und vom besondere Aufbringungsablauf, der zum Bilden jeder Schicht ausgewählt wird, abhängt, sind beispielhafte Materialien, Dicken und Verfahren der Aufbringung von jeder Schicht, die oben beschrieben sind, die folgenden, die in typischer Folge der Aufbringung von jeder Schicht auf dem Träger ablaufen:

Schichtbeschreibung	Beispielhaftes Material	Beispielhafte Dicke	Beispielhaftes Verfahren der Aufbringung
Träger	Edelstahl	25 μm	N/A (Lagermaterial)
Rückseitiger Kontakt	Mo	320 nm	Bedampfung
Absorptionsmittel	CIGS	1700 nm	Verdampfung
Puffer	CdS	80 nm	Chemische Aufbringung
Vordere Elektrode	TCO	250 nm	Bedampfung
Sammelnetz	Ag	40 μm	Drucken

Der Rest dieser Offenbarung konzentriert sich auf verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Bilden der Pufferschicht(en).
II. Lösungsaufnahme und Bahntransport
Dieser Abschnitt beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Transportieren einer Bahn des Trägermaterials durch einen Aufbringungsbereich und zum Aufnehmen verschiedener Reaktionslösungen, die chemische Komponenten einer Puffer- und/oder Fensterschicht innerhalb eines gewünschten Bereichs der Bahn aufweisen.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann eine Pufferschicht, auf die darunterliegenden PV-Zellschichten (typischerweise eine Bodenträgerschicht, eine rückseitige Kontaktschicht und eine Absorptionsmittelschicht) über einen chemischen Aufbringungsablauf aufgebracht werden. Wie in 2 dargestellt, schließt der Ablauf eine Vorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit 30 bezeichnet wird, zum Transportieren einer Bahn 32 des dünnschichtigen Trägermaterials durch einen Aufbrin gungsbereich 34 in einer Längsrichtung, und Verteilen einer oder mehr Reaktionslösungen 36 auf der Bahn innerhalb des Aufbringungsbereichs ein. Um eine Reaktion mit einem geeigneten Chalcogenid einzugehen und es zu bilden, sollte(n) die Reaktionslösung(en) als Minimum mindestens ein Metall und mindestens ein Chalcogen enthalten. Zusätzlich wird die Lösung typischerweise einen chemischen Komplexbildner, wie z. B. Ammoniak, und entionisiertes Wasser (DI) enthalten.
Obwohl das in 2 veranschaulichte System die Bahn linear und in einer Richtung transportiert, die der Längsausdehnung der Bahn entspricht, betrachtet die vorliegende Lehre auch alternative Verfahren zum Aufbringen einer dünnschichtigen Pufferschicht. Diese Alternativen umfassen zum Beispiel die Lösungsaufbringung auf eine konkave oder konvexe Bahn, die auf der Innenseite oder Außenseite einer trommelähnlichen Anordnung angeordnet ist, und den horizontalen Bahntransport, der einen oder eine Mehrzahl von Überläufen (wie zum Beispiel Container, Platten oder Rollen) verwendet, die mit einem „geregelten Drainage”-Abstand von der Bahn abgehalten werden, um die Chalcogenid-Lösung gegenüber der Bahn für eine geeignete Reaktionsdauer zu erhalten.
Die Vorrichtung 30 umfasst einen Transportmechanismus, der üblicherweise mit 40 bezeichnet ist, zum Befördern einer kontinuierlich flexiblen Bahn des Trägermaterials durch den Aufbringungsbereich in den Längsrichtungsbereich. Der Transportmechanismus 40 kann verschiedene Formen annehmen, wie zum Beispiel ein oder mehr kontinuierliche Transportbänder, die die Bahn befördern, während sie sie entweder von oben oder unten abstützen, oder eine Reihe von Rollen, auf der die Bahn aufliegt und befördert wird. 2 veranschaulicht einen Transportmechanismus, der eine Mehrzahl von synchronisierten Transportrollen 42 umfasst, die sowohl die Trägerbahn abstützen als sie auch transportieren. Die Rollen 42 können im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sein, wie in 2 dargestellt, oder sie können ungleichmäßig beabstandet sein, um andere gewünschte Elemente der Vorrichtung aufzunehmen. Um zu gewährleisten, dass die Bahn durch den Aufbringungsbereich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit entlang der Länge transportiert wird, können die Rollen 42 durch jedes geeignete Verfahren synchronisiert werden. Die Rollen können zum Beispiel alle durch eine einzelne sich drehende Welle angetrieben werden, wobei jede Rolle mit der gemeinsamen Welle verbunden ist. Die Rollen können mit der Welle durch einen standardisierten Zahnrad/Zahnstangen-Verbindungsmechanismus (nicht dargestellt) oder durch irgendeinen anderen Verbindungsmechanismus verbunden werden. In einigen Fällen können sich die Abstützrollen überhaupt nicht drehen, sondern können eher stationäre, präzisionsnivellierte Kreuzstücke sein. In anderen Fällen können die Abstützrollen drehbar sein, werden aber nicht angetrieben, in diesem Fall kann der Abwickel- und/oder Aufwickelmechanismus die Bewegungen der Trägerbahn antreiben.
In vielen bestehenden Systemen zum chemischen Synthetisieren einer Chalcogenid-Pufferschicht über ein chemisches Bad, ergibt das Verteilen der Lösungen auf der Bahn typischerweise die gewünschte Aufbringung der Pufferschicht über sowohl die Deck-(oder Vorder-)Seite der Bahn als auch die unerwünschte Aufbringung über Teile oder Gesamtheit der Bodenseite (oder Rückseite) der Bahn. Diese unerwünschte Aufbringung kann einen nachfolgenden Reinigungsschritt mit einer Säurelösungen, und auch einen zweiten möglichen zusätzlichen Reinigungsschritt erfordern, um die Restsäure zu entfernen, die zum Reinigen der überschüssigen Pufferschicht beim ersten Reinigungsschritt verwendet wurde. Während dieser zusätzlichen Reinigungsschritte ist es notwendig, und kann schwierig sein, die deckseitige Pufferschicht und die anderen, vorher aufgebrachten dünnschichtigen Schichten auf der Deckseite der Bahn vor dem Angriff durch die aktiven Lösungen, die beim Reinigen verwendet werden, zu schützen. Die Verwendung von wegzuwerfenden oder wieder verwendbaren schützenden rückseitigen Material oder Bahnen kann betrachtet werden, hat aber seine Grenzen und führt zu zusätzlichen Kosten.
Gemäß der vorliegenden Lehre, und wie in 3 veranschaulicht, können gegenüberliegende transversale Kantenbereiche 44 des Trägers 32 ausreichend durch einen Anhebungsmechanismus, der üblicherweise mit 46 bezeichnet wird, angehoben werden. Der Anhebungsmechanismus 46 hebt die Kantenbereiche 44 der Bahn bezüglich eines zentralen Bereichs 48 der Bahn durch ein Ausmaß an, das ausreicht, um die Puffer-Reaktionslösungen im Wesentlichen auf die Deckfläche der Bahn aufzunehmen. Dies kann in verschiedener Weise ausgeführt werden. Wie in 3 dargestellt, kann der Anhebungsmechanismus zum Beispiel eine oder mehr Transportrollen 42 mit konkaven Kantenbereichen umfassen, so dass das Anheben der transversalen Kantenbereiche der Bahn einfach durch Führen der Bahn über das konkave transversale Profil der konkaven Rolle(n) ausgeführt wird. In diesen Ausführungsformen können die Transportrollen dem zweifachen Zweck von sowohl dem Transportieren der Bahn bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, als auch das Aufnehmen der Pufferreaktionslösungen auf der Deckfläche der Bahn innerhalb des Aufbringungsbereiches oder einem anderen erwünschten Längsbereich dienen.
Alternativ können die entgegengesetzten transversalen Kantenbereiche der Bahn durch einen Anhebungsmechanismus angehoben werden, der bestimmte Anhebungsanordnungen umfasst, wobei der primäre Zweck von ihnen das Abstützen der Bahnkanten und Aufnehmen der Pufferreaktionslösungen, anstatt das Transportieren der Bahn ist. Wie zum Beispiel in 4 veranschaulicht, können die bestimmten Anhebungsanordnungen transversale Anhebungsanordnungen 50 umfassen, die sich im Wesentlichen über die transversale Dimension der Bahn in einer Art ähnlich den Transportrollen 42 erstrecken, aber fungieren nicht als Transportrollen. Die transversalen Anhebungsanordnungen 50 weisen ein konkaves transversales Profil auf, um das transversale Profil der Bahn ausreichend zu formen, um jegliche aufgebrachten Lösungen aufzunehmen, aber sie drehen sich nicht. Die Anhebungsanordnungen 50 können in Längsrichtung, zum Beispiel zwischen zwei der Transportrollen 42, angeordnet werden, oder können eine oder mehrere der Rollen, die in 2 dargestellt sind, ersetzen.
Viele andere Anhebungsmechanismen sind innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehre. Wie zum Beispiel in 5 dargestellt, kann das Anheben der Bahnkanten durch den Kontakt entgegengesetzter transversaler Kantenbereiche der Bahn mit einer oder mehr Lagerflächen 52, die drehbar sein können oder nicht, ausgeführt werden. Um die Kantenbereiche anzuheben, werden die Lagerflächen typischerweise etwas innerhalb der transversalen Grenzen der Bahn angeordnet. Die Lagerflächen 52 können ungefähr kegelstumpfförmig, wie in 5 dargestellt, oder alternativ sphärisch, zylindrisch sein oder irgendeine andere Form aufweisen, die zum ausreichenden Anheben und Abstützen der Kantenbereiche der Bahn geeignet sind. Zum Beispiel können die komplex geformten Lagerflächen verwendet werden, die mehr als eine Neigung haben, und/oder eine konkave Geometrie aufweisen. In einigen Ausführungsformen können Formen, die sowohl eine einwärts und eine nach außen gerichtete Krümmung aufweisen, vorteilhaft sein. Außerdem können eine rela tiv flache Neigung oder mehrfache/kontinuierliche Neigungen weniger heikel für Bahnkantenveränderungen sein, während die Aufnahme der Reaktionslösungen weiter aufrechterhalten wird. Ohne Rücksicht auf ihre Anordnung, können die Lagerflächen irgendwo entlang der Längsdimension der Bahn angeordnet werden, und typischerweise werden sie entweder innerhalb oder in der Umgebung zum Aufbringungsbereich angeordnet. Wie zum Beispiel in 8 veranschaulicht, können zwei entgegengesetzte Paare von Lagerflächen zwischen benachbarten Transportrollen angeordnet werden.
Wie in 6 veranschaulicht, kann der Anhebungsmechanismus angewinkelte Kantenbereiche oder Lagerflächen 52', die an einer der Transportrollen 42 befestigt sind, aufweisen. Obwohl in vieler Hinsicht ähnlich zum in 3 dargestellten Anhebungsmechanismus, kann der in 6 dargestellte Mechanismus eine einfachere Anordnung aufweisen, weil die angewinkelten Kantenbereiche 52' separat von den zylindrischen Transportrollen 42 hergestellt werden können. 7 stellt noch eine weitere Alternative dar, wo bestimmte Anhebungsanordnungen 52'' angewinkelte Kantenbereiche umfassen, die die transversalen Kantenbereiche der Trägerbahn anheben. Wie im Fall der in 5 dargestellten Lagerflächen 52, sind die Anhebungsanordnungen 52'' nicht direkt an den Transporttrollen 42 befestigt, sondern können eher, zum Beispiel, zwischen benachbarten Rollen angeordnet und durch eine separate Abstützanordnung, wie in 8 dargestellt, abgestützt werden.
Es sollte verständlich sein, dass alle Anhebungsmechanismen, die in den 3 bis 8 veranschaulicht sind, Anhebungsanordnungen umfassen, die so geformt sind, um den angehobenen Kantenbereichen der Trägerbahn zu entsprechen. Zum Beispiel umfassen die Anhebungsanordnungen, die in 3 bis 4 dargestellt sind, konkave Anhebungsbereiche an ihren transversalen Kanten, und die Anhebungsanordnungen, die in den 5 bis 7 dargestellt sind, umfassen im Wesentlichen ebene Anhebungsbereiche, die weg von dem zentralen Bereich der Trägerbahn angewinkelt sind. Im Gegensatz dazu, verwenden einige Anhebungsmechanismen gemäß dem Stand der Technik vertikale Schienen oder Profilstangen, die nicht so geformt sind, um den angehobenen Kantenbereichen zu entsprechen, um die Trägerkanten anzuheben. Das Anpassen der Form der Anhebungsanordnungen an die Form der angehobenen Kantenbereiche kann zum Beispiel ein kleines Reibungsausmaß schaffen, das die Neigung zum Ausknicken des zentralen Bereichs der Bahn verringert, oder anderweitig von der wesentlichen Ebenheit abzuweichen, was zu geringem Lösungsüberlauf, einer gleichmäßigeren Lösungsschicht auf dem Träger und einer entsprechenden gleichmäßigeren Chalcogenid-Schicht führt.
Das Anheben der transversalen Kantenbereiche der Bahn kann in einem festgelegten Ausmaß ausgeführt werden, oder die Anhebung kann innerhalb eines Bereichs des Anhebungsausmaßes eingestellt werden. In Ausführungsformen, die bestimmte Anhebungsanordnungen verwenden, die nahe der transversalen Grenzen der Bahn angeordnet sind, wie die Anordnungen 52 und 52'', wie in 5 und 7 jeweils dargestellt, kann jede gewünschte Anhebungseinstellung einfach durch Einstellen der Höhe der Anhebungsanordnungen ausgeführt werden. In Ausführungsformen, die entweder bestimmte Anhebungsanordnungen oder Transportrollen verwenden, die sich über die transversale Dimension der Bahn erstrecken, und die ein konkaves transversales Profil aufweisen, kann die Anhebungseinstellung durch Ändern des transversalen Profils der Anhebungsanordnung oder der Rollen ausgeführt werden. Wenn zum Beispiel die konkaven bestimmten Anhebungsanordnungen oder konkaven Transportrollen in der transversalen Dimension segmentiert werden, kann die Höhe der verschiedenen Segmente einzeln oder in Gruppen eingestellt werden, bis ein gewünschtes transversales Profil erreicht ist, um ein gewünschtes Ausmaß des Anhebens der Kantenbereiche der Bahn bezüglich eines zentralen Bereichs der Bahn vorzusehen.
Um ein relativ ebenes Profil über den zentralen Bereich der Bahn aufrechtzuerhalten, welcher wünschenswert sein kann, um die wesentliche Gleichmäßigkeit einer aufgebrachten Pufferschicht zu erreichen, kann die Bahn niedergehalten und/oder unter Spannung an einer oder mehr Positionen gehalten werden. Ein einfacher Weg, um dies auszuführen, ist der, die Bahn mit zumindest einer Untermenge der Transportrollen oder einem anderen Transportmechanismus in Kontakt zu halten. Wie in 9 bis 10 veranschaulicht, kann zum Beispiel die Bahn unterhalb einer Mehrzahl von niedergehaltenen Rollen oder Rädern 54 vorbeigeführt werden (oder beliebige andere Anordnungen, um die Bahn in Kontakt mit dem Transportmechanismus zu halten), wo jedes Niederhalte-Rad die Bahn mit einem Bereich von einer zugeordneten Rolle von den Transportrollen 42 in Kontakt hält. Die Niederhalte- Anordnungen, wie zum Beispiel Räder oder Rollen, können nahe jedes Kantenbereichs von jeder Transportrolle angeordnet, oder, wie 10 darstellt, können die Niederhalte-Anordnungen in einer abwechselnden Anordnung mit einem Niederhalte-Rad, das nahe eines einzelnen Kantenbereichs von jeder Transportrolle angeordnet ist, angeordnet werden. Üblicherweise kann jede Anordnung der Niederhalte-Anordnungen geeignet sein, die vorgesehen ist, dass die Anordnungen ausreichend sind, um die Bahn unter ausreichender Spannung zu halten, so dass der zentrale Bereich ein gewünschtes transversales Profil aufrechterhält.
Neben dem Anwenden von abwärts gerichteten Kräften, um die Bahn mit den Transportrollen in Kontakt zu halten, können die Niederhalte-Anordnungen verschiedene andere nützliche Merkmale aufweisen. Wie zum Beispiel in 9 dargestellt, können die Niederhalte-Anordnungen Räder 54 mit Gegengewichten, die auf Schaften 56 befestigt sind, mit Zwischengelenken 58 sein. Ein Gegengewicht 60 von jeder Anordnung kann innerhalb einer Aussparung 62 einstellbar sein, so dass die Bewegung dieses Gegengewichts in die proximale Richtung (in Richtung des Rades 54) die Kraft des Rades gegen die Bahn erhöht, während die Bewegung des Gegengewichts in die distale Richtung (weg vom Rad 54) die Kraft des Rades gegenüber der Bahn verringert. Dieser Mechanismus bringt eine einstellbare nach unten gerichtete Kraft auf die Bahn auf, um die aufwärts gerichtete Kraft des Anhebungsmechanismus auf der Bahn auszugleichen. Alternativ können die Niederhalteräder einen regelbaren oder vorbestimmten Druck entweder pneumatisch oder durch beliebige andere geeignete Mechanismen vorsehen. Außerdem können andere Anordnungen verwendet werden, um einen geregelten Niederhaltedruck auf die Bahn vorzusehen, wie zum Beispiel ein unter Druck gesetztes Teflonrohr/Dichtung, die an einer fixierten Anordnung befestigt ist, Paare von friktionsarmen Bandblechen oder Halter, die oberhalb und unterhalb der Bahn angeordnet sind, oder Magnete, die unterhalb der Bahn angeordnet sind.
Zusätzlich, wie in 9 bis 10 dargestellt, können die Räder oder Rollen der Niederhalte-Anordnungen leicht nach außen von oben nach unten angewinkelt sein, um eine Kraft auf die Bahn aufzubringen, die sowohl eine abwärts und eine nach außen gerichtete Komponente bezüglich des zentralen Bereichs der Bahn aufweist. Die nach außen gerichtete Komponente der Kraft, wenn sie an entgegengesetzten Kan tenbereichen der Bahn ansetzt, bringt die seitliche Spannung auf die Bahn auf und hilft damit, den zentralen Bereich der Bahn eben zu halten, die abwechselnd eine relative flache Verteilung der Pufferschicht-Reaktionsmittel (und somit von der Pufferschicht selbst) über die transversale Dimension der Bahn erleichtert. Außerdem können die Niederhalte-Räder leicht nach innen oder außen bezüglich der Längsdimension der Bahn angewinkelt sein, wobei jede von ihnen auch nützliche, nach außen gerichtete Kräfte auf die Bahn vorsehen kann. Beide oben erwähnten Winkel können bis zu einer gewissen Größe einstellbar sein, um die Änderung von der Seite-zu-Seite-Spannung in der Bahn und/oder des transversalen Profils der Bahn zu ermöglichen.
11 ist eine schematische Draufsicht der Bereiche einer Vorrichtung zum Transportieren einer Trägerbahn (nicht dargestellt) durch einen Aufbringungsbereich, der die relative Anordnung der Transportrollen 42, Anhebungsanordnung 52 und Niederhaltemechanismen 54 darstellt. Obwohl 11 die Anhebungsanordnungen 52 in der Form von Kegelstumpf-förmigen Lagerflächen in vertikaler Achsenordnung veranschaulicht, sollte es selbstverständlich sein, dass diese mit Anhebungsanordnungen von verschiedenen anderen Formen, wie zum Beispiel denjenigen, die in 4, 6 oder 7 dargestellt sind, ersetzt werden können. Die Anhebungsanordnungen können jede zum Beispiel einen konkaven Anhebungsbereich, einen im Wesentlichen ebenen Anhebungsbereich, der weg von dem zentralen Bereich der Bahn angewinkelt ist, oder eine andere Anordnung, die ausgebildet ist, um den angehobenen Kantenbereichen der Bahn zu entsprechen, umfassen. Um ein gewünschtes Ausmaß der Anhebung vorzusehen, kann jede Anhebungsanordnung eine vertikale Position aufweisen, die innerhalb eines Bereichs des Anhebungsausmaßes einstellbar ist. Wie in 11 veranschaulicht, können die Anhebungsanordnungen zwischen benachbarten Transportrollen 42 angeordnet werden, und können als Paare von Anordnungen an jedem transversalen Kantenbereich der Vorrichtung vorgesehen werden. Wie zum Beispiel in 3 und 6 veranschaulicht, können alternativ die Anhebungsanordnungen einstückig mit den Transportrollen ausgebildet werden oder direkt mit diesen verbunden werden, oder wie zum Beispiel in 4 dargestellt, können die Anhebungsanordnungen bestimmte Anordnungen sein, die sich im Wesentlichen über die transversale Dimension der Trägerbahn, ohne als Transportrollen zu fungieren, erstrecken.
Das Anheben einer oder mehrer Kantenbereiche der Bahn kann in Abhängigkeit zu einer gemessenen Eigenschaft der dünnschichtigen Pufferschicht, die durch die Reaktionslösungen gebildet wird, ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Ausmaß des Anhebens auf einer oder beiden Seiten der Bahn in Abhängigkeit einer Messung der Gleichmäßigkeit der dünnschichtigen Pufferschicht eingestellt werden. Wenn diese Pufferschicht gemessen wird, um asymmetrisch über die transversale Dimension der Bahn angeordnet zu sein, dann kann das Ausmaß des Anhebens auf gerade einer Seite eingestellt werden, bis die wesentliche Symmetrie der Pufferschicht wiederhergestellt ist. Wenn die Pufferschicht gemessen wird, um ausreichend symmetrisch zu sein, aber unerwünscht dick in Richtung der Mitte der transversalen Dimension der Bahn, unerwünscht dünn in Richtung der Kanten der transversalen Dimension der Bahn, oder umgekehrt ist, dann kann das Ausmaß des Anhebens auf beiden Seiten eingestellt werden, bis die größere transversale Gleichmäßigkeit der Pufferschichtdicke erreicht ist. Ebenso kann das Ausmaß des Anhebens auf einer oder beiden Seiten der Bahn größer werden als nötig, um die Reaktionslösungen aufzunehmen, wenn eine Messung (oder lediglich visuelle Inspektion) anzeigt, dass eine oder mehrere der Lösungen nicht ausreichend auf der Deckfläche der Bahn aufgebracht sind.
12 ist ein Ablaufdiagramm, üblicherweise mit 100 bezeichnet, das ein Verfahren zum Aufbringen einer dünnschichtigen Chalcogenid-Pufferschicht auf einen flexiblen Träger gemäß den Aspekten der vorliegenden Lehre veranschaulicht. Beim Schritt 102 wird eine Bahn des dünnschichtigen Trägermaterials durch einen Aufbringungsbereich in Längsrichtung transportiert. Wie oben beschrieben, kann das Trägermaterial einen Basisträger umfassen, wie zum Beispiel eine dünne Platte aus Edelstahl, auf der eine oder mehr dünnschichtige Schichten bereits aufgebracht worden sind. Eine hintere Kontaktschicht zum Beispiel, die aus einem elektrisch leitfähigem Material wie Molybdän hergestellt ist, und eine p-Typ-Halbleiter-Photonen-Absorptionsschicht, die aus einem Material wie CIGS hergestellt ist, können schon auf dem Basisträger aufgebracht worden sein. Es sollte verständlich sein, dass die Trägerbahn diese Schichten umfasst, wenn sie durch den Aufbringungsbereich transportiert wird. Die Bahn wird üblicherweise in einem von Rolle-zu-Rolle-Ablauf oder einem anderen ähnlichen Ablauf transportiert, wobei in diesem Fall die Längs richtung die Richtung der Beförderung zwischen der Abwickel- und Aufwickelrolle sein wird.
Beim Schritt 104 werden eine metallhaltige Lösung und eine Chalcogen-haltige Lösung auf der Deckfläche der Trägerbahn verteilt. Die metallhaltige Lösung enthält ein Metall, das bekannt ist, um mit einem Chalcogen zu reagieren, um Chalcogenide zu bilden, und wird somit üblicherweise aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Zink, Cadmium, Quecksilber, Blei, Bor, Aluminium, Gallium Indium, und Thallium. Die Chalcogen-haltige Lösung enthält ein Chalcogen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, und die bekannt ist, um mit dem Metall in der metallhaltigen Lösung zu reagieren, um ein Chalcogenid mit gewünschten optischen und/oder elektronischen Eigenschaften zu bilden. Eine beispielhafte Kombination für Cadmium ist das Kombinieren mit Schwefel, um ein Cadmiumsulfit zu erzeugen, aber andere Chalcogenide können als Pufferschichten und/oder n-Typ-Halbleiterschichten geeignet sein. Vor oder als Teil von Schritt 104 kann die Trägerbahn mit deionisiertem Wasser oder sonstiger geeigneter Lösung gespült werden. Dieses Reinigungsen kann Oberflächenungleichmäßigkeiten oder andere Gegenstände entfernen, die von einem vorhergehenden Aufbringungsablauf (wie zum Beispiel die CIGS-Aufbringung) übrig geblieben sind, und sieht somit eine relativ gleichmäßige Oberfläche für die Chalcogenid-Aufbringung vor.
Es sollte verständlich sein, dass die metallhaltige Lösung und die Chalcogenhaltige Lösung an jeder gewünschten Position(en) innerhalb des Aufbringungsbereichs verteilt werden kann. Zum Beispiel können die Lösungen zusammen durch einen einzelnen Dispenser 38 wie in 2 dargestellt, verteilt werden, oder die Lösungen können durch separate Dispenser verteilt werden. Diese Dispenser können durch einen ausreichenden Abstand in Längsrichtung getrennt sein, zum Beispiel 1 Zoll oder mehr, um einen beträchtlichen Oberflächen-Ionenaustausch zwischen dem Metall in der metallhaltigen Lösung und einer darunter liegenden Schicht von photovoltaischen Materialien in einem Bereich zwischen der ersten Position und zweiten Position ermöglichen. Dieses kann nützliche Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften der darunter liegenden Halbleiterschicht (wie zum Beispiel eine CIGS-Schicht) der PV-Zelle haben. Alternativ können die separaten Dispenser die Reakti onslösungen an Positionen verteilen, die im Wesentlichen zufällig sein können, das heißt, die metallhaltige Lösung und die Chalcogen-haltige Lösung können separat, aber an im Wesentlichen denselben Längspositionen auf der Trägerbahn verteilt werden.
Außerdem kann die metallhaltige Lösung und/oder Chalcogen-haltige Lösung auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die ausreichend ist, um mindestens einen wesentlichen Bereich der Reaktionswärme für die chalcogenide Ausbildung auf der Bahn vorzusehen. Folglich wird die Temperatur von einer oder beiden der Reaktionslösungen üblicherweise größer als die Temperatur der sich bewegenden Bahn (vor der Aufbringung der Lösung) sein. Zum Beispiel kann die metallhaltige Lösung auf eine Temperatur im Bereich von 55 bis 70°C aufgeheizt werden, während vor der Aufbringung der Reaktionslösungen die Bahn eine Temperatur im Bereich von 25 bis 45°C aufweisen kann.
Beim Schritt 106 werden die transversalen Kantenbereiche der Trägerbahn bezüglich eines zentralen Bereichs der Bahn angehoben, um zumindest etwas von der metallhaltigen und Chalcogen-haltigen Lösungen im Wesentlichen auf der Deckfläche der Bahn aufzubringen. Wie zuvor beschrieben worden ist, kann dies durch die Anwendung eines Anhebungsmechanismus, wie zum Beispiel eine Mehrzahl von Anhebungsanordnungen, die in der Nähe der transversalen Kantenbereiche des Trägers angeordnet sind, ausgeführt werden. Diese Anordnungen können irgendeine geeignete Form annehmen, wie diejenige, die in 3 bis 8 dargestellt sind. Es kann vorteilhaft sein, die Anhebungsanordnungen zu erstellen, damit sie der Form der angehobenen Kantenbereich des Trägers entsprechen, weil dies die ortsgebundenen Kräften nahe der Kanten des Trägers verhindern kann, die zum Knicken oder anderen vertikalen Ungleichmäßigkeiten innerhalb des zentralen Bereichs der Bahn führen könnte.
Bei Schritt 108 wird der zentrale Bereich der Bahn im Wesentlichen eben gehalten. Dies kann durch das Halten ausgewählter Bereiche der Bahn in Kontakt mit dem darunter liegenden Transportmechanismus, wie z. B. darunterliegende Transportrollen, ausgeführt werden. Wie zum Beispiel in 10 dargestellt und oben beschrieben, kann das Halten der Bahn in Kontakt mit dem Transportmechanismus das Führen der Bahn unterhalb einer Mehrzahl von Niederhalte-Rädern 54 umfassen, wobei jedes Rad die Bahn mit einer der Transportrollen 42 in Kontakt hält. Wie in 10 dargestellt, können die Niederhalte-Räder oberhalb der Transportrollen in einer abwechselnden Anordnung angeordnet werden, und können eine einstellbare Kraft mit nach unten und/oder außen gerichteten Komponenten auf die Trägerbahn aufbringen. Eine nach unten gerichtete Komponente der Kraft dient zum Niederhalten der Bahn nahe ihrer Kanten, während eine nach außen gerichtete Komponente der Kraft dazu dient, den zentralen Bereich der Bahn unter Spannung zu halten, was zu einem größeren oder einstellbaren Ebenheitsgrad im zentralen Bereich führen kann. Um das Ausmaß der Lösungsaufnahme einzustellen, während die wesentliche Ebenheit des zentralen Bereichs der Trägerbahn aufrechterhalten wird, können somit das Ausmaß des vertikalen Anhebens der Kanten der Bahn, die nach unten gerichtete Niederhalte-Kraft nahe der angehobenen Kanten und die seitliche Bahnspannung insgesamt eingestellt werden.
Alternativ kann das Ebenhalten des zentralen Bereichs der Bahn durch Führen der Bahn zwischen einer oder mehr Paaren von longitudinalen Bandblechen ausgeführt werden, die aus einem friktionsarmen Material, wie zum Beispiel Teflon, hergestellt sind, wobei die Bandbleche eine gewünschte Niederhalte-Kraft oder Druck auf einen Bereich des Trägers aufbringen. Als weitere Alternative können Magneten verwendet werden, um eine nach unten gerichtete Kraft auf einen oder mehr Bereiche des Trägers aufzubringen. Diese Magnete können zum Beispiel in longitudinalen Bandblechen unterhalb des Trägers angeordnet werden, entweder in Kontakt mit oder an einem bekannten Abstand vom Boden der Bahn.
Die oben dargestellte Offenbarung kann mehrere eindeutige Erfindungen mit unabhängigem Nutzen umfassen. Obwohl all diese Erfindungen in ihrer bevorzugten Form(en) offenbart wurden, sind die spezifischen Ausführungsformen davon, wie sie hier offenbart und dargestellt sind, nicht einschränkend, weil zahlreiche Änderungen möglich sind. Der Gegenstand der Erfindungen umfasst alle neuen und nicht offenkundigen Kombinationen und Subkombinationen der verschiedenen Elemente, Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart sind. Die folgenden nummerierten Ansprüche weisen insbesondere auf bestimmte Kombinationen und Subkombinationen, die als neu und nicht naheliegend betrachtet werden, hin. Erfin dungen, die in anderen Kombinationen und Subkombinationen der Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften enthalten sind, können in Anmeldungen beansprucht werden, die die Priorität von dieser oder einer zugehörigen Anmeldung beanspruchen. Diese Ansprüche, ob sie zu einer unterschiedlichen Erfindung oder der gleichen Erfindung gerichtet sind, und ob sie breiter, enger, gleich oder unterschiedlich im Schutzumfang der ursprünglichen nummerierten Ansprüche sind, die folgen, werden auch so betrachtet, als wenn sie innerhalb des Gegenstands der Erfindungen der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6537845 [0009]

Claims

Vorrichtung zum Aufbringen einer dünnschichtigen Pufferschicht auf einen flexiblen Träger: mit einer Mehrzahl von Transportrollen, die innerhalb eines Aufbringungsbereichs angeordnet sind, und eine kontinuierlich flexible Bahn des Trägermaterials durch den Aufbringungsbereich in einer Längsrichtung befördern; mit zumindest einem Dispenser zum Verteilen einer metallhaltigen Lösung auf einer Deckfläche der Bahn mit einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Zink, Cadmium, Quecksilber, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium, und einer Chalcogen-haltigen Lösung mit einem Chalcogen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur; mit einem Anhebungsmechanismus zum Anheben der transversalen Kantenbereiche der Bahn bezüglich eines zentralen Bereichs der Bahn, um zumindest einen Bereich der metallhaltigen Lösung und zumindest einen Bereich der Chalcogen-haltigen Lösungen im Wesentlichen zur Deckfläche der Bahn zu begrenzen; und mit einem Niederhaltemechanismus zum im Wesentlichen Ebenhalten des mittleren Bereichs der Bahn, während die transversalen Kantenbereiche angehoben werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Anhebungsmechanismus eine Mehrzahl von Anhebungsanordnungen umfasst, die benachbart zu den transversalen Kantenbereichen der Bahn angeordnet sind, wobei jede Anhebungsanordnung eine Oberfläche aufweist, um einen der transversalen Kantenbereiche anzuheben und um der Form des angehobenen Bereichs zu entsprechen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Transportrollen die Bahn ohne äußerlichen Kontakt mit einem Bahn-Heizmechanismus halten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Anhebungsmechanismus konkave Kantenbereiche von zumindest einer der Transportrollen umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Anhebungsmechanismus zumindest eine Anhebungsanordnung umfasst, die in Längsrichtung zwischen zwei der Transportrollen angeordnet ist, die sich im Wesentlichen über die transversale Dimension der Bahn erstreckt, und die die gegenüberliegenden transversalen Kantenbereiche der Bahn anhebt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Niederhaltemechanismus eine Mehrzahl von Rädern umfasst, um die Bahn mit zumindest einer Untermenge der Transportrollen an einzelnen Positionen in Kontakt zu halten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Räder eine einstellbare, nach unten gerichtete Kraft auf die Bahn aufbringen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Räder eine Kraft auf die Bahn aufbringen, die sowohl eine Abwärtskomponente als auch eine Außenkomponente aufweist.