DE2732933C2 - Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Solarzellen mit pn-Heteroübergang - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Solarzellen mit pn-Heteroübergang

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DE2732933C2 DE2732933A DE2732933A DE2732933C2 DE 2732933 C2 DE2732933 C2 DE 2732933C2 DE 2732933 A DE2732933 A DE 2732933A DE 2732933 A DE2732933 A DE 2732933A DE 2732933 C2 DE2732933 C2 DE 2732933C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen mit P-N-Duennschicht-Heterouebergang aus einer auf eine elektrisch leitenden Unterlage aufgedampften Cadmiumsulfid-Schicht und einer darauf chemisch erzeugten Kupfersulfid-Schicht, mit der ein elektrisch leitendes Gitter in Kontakt steht. Cadmiumsulfid-solarzellen haben gegenueber den bekannten Silicium-Einkristall-Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad, jedoch den erheblichen Vorteil , dass sie sich wesentlich preiswerter herstellen lassen. Der Herstellungsaufwand ist allerdings nur bezueglich der Herstellung der Halbleiterschichten geringer. Insgesamt ist der Herstellungsaufwand noch relativ hoch, insbesondere, wenn mehrere Solarzellen zu Solarbatterien zusammengeschaltet werden sollen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Cadmiumsulfid-Solarzellen zu schaffen, das eine preiswerte Herstellung einer fertig verkapselten Solarzelle ermoeglicht,die einen guenstigen Wirkungsgrad besitzt. Die Erfindung besteht darin, dass die Cadmiumsulfid-Schicht und die Kupfersulfid-Schicht auf einem als Unterteil dienenden Bauteil aufgebracht werden, der anschliessend mit einem aus einem vorher mit einem Haftmittel und dem leitenden Gitter versehenen Deckglas gebildeten Oberteil zu einer in sich geschlossenen, verkapselten Zelle zusammengefuegt wird. Durch dieses Verfahren lassen sich die sogenannten Flaechenkosten bei der Herstellung von Solarzellen wesentlich reduzieren, d...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /um Herstellen von Dünnschicht-Solarzellen mit pn-Hctcroübergang, bei dem aus einer auf eine elektrisch leitende Unterlage aufgedampften Cadmiumsulfid-Schicht und einer darauf chemisch erzeugten Kupfersulfid-Schicht ein Unterteil gebildet wird, mit dem ein elektrisch leitendes Gitter unter Verwendung einer mit einem Haftmittel versehenen Abdeckung verpreßt und in elektrischen Kontakt gebracht wird.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen bekannt (DE-OS 21 52 895), bei welchem ein Träger aus Kunststoff mit einer gut leitenden Metallschicht versehen wird, auf die eine Cadmiumsulfid-Schicht aufgedampft ist. Durch Eintauchen in eine Lösung wird auf der freien Cadmiumsulfid-Schicht eine Kupfersulfid-Schicht erzeugt, auf die dann beispielsweise durch Aufdampfen eine Kupferschicht aufgebracht wird. Auf die Kupferschicht wird anschließend ein Kontaktgitter mit Hilfe eines Klebemittels aufgeklebt. Auf diese vollständig funktionsfähige Solarzelle wird dann eine mit einem lichtdurchlässigen Kleber beschichtete Folie aufgelegt, die anschließend mit dem vorgefertigten Teil verpreßt wird, so daß die Solarzelle verkapselt ist. Bei einem sehr ähnlichen Verfahren ist es auch bekannt (II. Matthöfcr (Herausgeber): »Sonnenenergie«, Umschau Verlag, Frankfurt 1976, S. 234-249) einen Träger aus Glas und ein vergoldetes Kupfergitter zu verwenden. Bei einem weiteren ähnlichen Verfahren (DE-OS 25 11 900) ist es auch bekannt, die zunächst vollständig funktionsfähig hergestellte Solarzelle durch eine Glasplatte abzudekken, die durch ein transparentes Kunstharz gehalten wird. Bei allen diesen Verfahren bereitet die Kontaktierung zwischen dem Metallgitter und dem Halbleiterkörper Schwierigkeiten, wobei sich relativ hohe Obergangswiderstände ergeben, durch die die Leistungsabgabe vermindert wird.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genann-
!0 ten Art (DE-OS 21 12 812) wird auf ein Ankleben des leitenden Gitters auf dem Halbleiterkörper verzichtet Bei diesem Verfahren wird vorgesehen, daß zunächst ein Unterteil erstellt wird, das die aufgedampfte Cadmiumsulfid-Schicht und die darauf chemisch erzeugte Kuptersulfid-Schicht enthält, auf die dann das elektrisch leitende Gitter aufgelegt wird, das anschließend mit einer mit einem Haftmittel versehenen Folie abgedeckt und verpreßt wird. Um die Probleme bezüglich der Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und dem elektrisch leitenden Gitter zu verringern, wird zusätzlich vorgesehen, daß zwischen dem elektrisch leitenden Gitter und dem Halbleiterkörper eine metallisch leitende Schicht angeordnet ist, die zumindest teilweise aus Palladium und/oder Rhenium und/oder Rhodium oder deren niederen Oxiden besteht. Dadurch wird der an sich schon aufwendige Herstellungsvorgang weiter verteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem auf einfache und sichere Weise die Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und dem elektrisch leitenden Gitter hergestellt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Abdekkung ein Deckglas verwendet wird, daß das leitende Gitter zunächst auf dem Haftmittel erzeugt wird und auf diese Weise aus dem Deckglas, dem Haftmittel und dem leitenden Gitter ein Oberteil gebildet wird, das anschließend mit dem Unterteil ver preßt wird.
Mit diesem Verfahren läßt sich ein sehr hoher Preßdruck /.wischen dem elektrisch leitenden Gitter und dem Ha'.blcilcrkörper verwirklichen, so daß eine gute Kontaktierung hergestellt wird, ohne daß die Kontaktschicht veredelt werden muß. Zusätzlich wird ein Vorteil bezüglich der Handhabung dadurch erreicht, daß das Kontaktgitter zunächst auf dem Oberteil erzeugt wird, da nicht die Gefahr besteht, daß bei dem anschließenden Zusammenfügen das Gitter verschoben oder beschädigt wird. Durch dieses Verfahren lassen sich darüber hinaus die sogenannten Flächenkosten bei der Herstellung von Solarzellen wesentlich reduzieren, da in den meisten Fällen das Deckglas schon ausreicht, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Verwendung des Deckglases hat außerdem den Vorteil, daß der UV-Anteil des einfallenden Lichtes von dem Deckglas herausgefiltert wird, so daß Schädigungen des Haftmittels auch bei längerer Gebrauchsdauer nicht zu befürchten sind.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß auf das Deckglas des Oberteils ein Heißsiegelkleber aufgetragen wird, an dem zunächst eine Kupferfolie gehalten wird, aus der anschlließend ein Gitter herausgeätzt wird, wonach Oberteil und Unterteil heiß versiegelt werden. Der I leil.Kicgelklebcr hai somit zunächst die Funktion,die Kupferfolie an dem Oberteil zu halten und
Μ anschließend die Verbindung zu dem Unterteil herzustellen. Eine Herstellung von Kontaktgittern durch Herausätzen der Gitterstruktur aus einer Metallschicht ist bereits aus der US-HS 38 11 954 bekannt.
In vorteilhafter Weise wird vorgesehen, daß der Heißsiegelkleber flüssig aufgetragen und anschließend im Vakuum und gegebenenfalls danach in Atmosphäre getrocknet wird. Durch das erste Trocknen unter Vakuum wird unter Abführen aller evtl. die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle störenden Gase und Dämpfe eine Klebeschicht erzeugt, die anschließend ein Heißsiegelkleben ermöglicht und deren Dicke etwas stärker als die Dicke des Gitters ist D;e gegebenenfalls durchzuführende anschließende Trocknung unter atmosphärischen Bedingungen führt zu einer in einigen Fällen zweckmäßigen Oxidation der Heißsiegelklebeschicht
In zweckmäßiger Ausgestaltung wird vorgesehen, daß vor dem Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil auf das Gitter zum Erzielen eines sperrschichtfreien Kontakts eine dünne Goldschicht galvanisch aufgetragen wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnungs dargestellten Verfahrens weiter erläutert
F i g. 1 zeigt eine schemalische Darstellung einer nach dem Verfahren hergestellten Solarzelle, bei welcher Unterteil und Oberteil noch getrennt sind,
Fig.2 eine Seitenansicht einer aus mehreren Zellen und einem einteiligen Deckglas gebildeten Solarbatterie,
F i g. 3 eine Ansicht der Solarbatterie der F i g. 2 in Richtung des Pfeiles III.
Die in F i g. 1 dargestellte Solarzelle besitzt einen vorgefertigten Unterteil 1 und einen vorgefertigten überteil 2, die in einem anschließenden Arbeitsgang zu einer in sich abgekapselten Zelle zusammengefügt werden.
Der Unterteil 1 besitzt eine Grundplatte 3, die vorzugsweise aus einem Substratglas besteht. Dieses Glas wird in einem Lösungsmitte! mit Ultraschall gereinigt, bevor eine Haftvermittelungsschicht 4 einseitig aufgetragen wird, für die bevorzugt aufgedampftes Chrom (Cr) verwendet wird. Auf diesen Haftvermittler wird eine Schicht 5 aus Silber (Ag) ebenfalls durch Aufdampfen aufgetragen. Dieses Aufdampfen sowohl des Haftvermittlers als auch des Silbers erfolgt bei etwa 4000C, was einerseits zu einem Herauslösen von Wasserdampf und andererseits zu einer guten Auskristallisierung der Silberschicht 5 führt, was für die nachfolgenden Arbeitsgänge von Vorteil ist.
Auf die Schicht 5 aus Silber wird eine Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS) von ca. 30 μιη aufgedampft. Dieses Aufdampfen erfolgt durch eine poröse Quarzfritte, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Homogenität führt. Dabei wird der soweit vorgefertigte Unterteil 1 auf einer Temperatur von 200° gehalten.
Als nächstes wird die Cadmiumsulfid-Schicht 6 zur Verringerung von Reflexion und zum Herausätzen von Korngrenzen mit Hilfe einer wässrigen Salzsäure (HCl) aufgerauht. Auf der Cadmiumsulfid-Schicht 6 wird anschließend eine Kupfersulfid (Cu.>S)-Sch'cht 7 erzeugt, was durch eine chemische Reaktion geschieh!, indem der Unterteil kurzzeitig für ca. 5 bis 10 Sekunden in eine einwertige Kupfer-Ioncnlösung eingetaucht wird. Diese Kupfersulfid-Schicht soll eine Dicke der Größenordnung \ on 0.2 μηι besitzten.
Aul die Kupfersulfid-Schichi 7 wird noch eine Kupfer (Cii)-Sehieht 8 aufgedampft, die eine Dicke von 3 bis 100 nm besitzt. Anschließend wird der Unterteil bei ca. 180' in Atmosphäre aufgeheizt, wodurch ein Auffüllen von Leerstellen durch eineiiffundierendes Kupfer in die Kupfersulfid-Schicht und eine Ausbildung einer Kupferoxydulschicht (Cu2O) ermöglicht werden. Mit diesem Arbeitsgang ist die Herstellung des Unterteils 1 beendet. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, sind die Schichten 6,7 und 8 derart aufgetragen, daß in F i g. 1 rechts ein Randstreifen 9 der Unterlage 5 aus Silber freibleibt, die später als Kontakt ausgenutzt werden kann.
Der Oberteil 2 wird ebenfalls getrennt hergestellt Er enthält ein Deckglas 10, das ebenfalls vor der Weiterbearbeitung mit Ultraschall in einem Lösungsmittel gereinigt wird. Auf dieses Deckglas 10 wird einseitig ein zunächst flüssiger handelsüblicher Heißsiegelkleber 11 mit einer Schichtdicke von 120 bis 150 μηα mittels einer Rakel o. dgl. aufgetragen. Das Deckglas 10 und der zunächst flüssig aufgetragene Heißsiegelkleber 11 werden in einem Vakuumofen anschließend bei etwa 100° C für 4 bis 5 Stunden einer Trocknung unterzogen, so daß Dämpfe und Gase aus dem zunächst flüssigen Heißsiegelkleber entweichen können. Es hat sich gezeigt, daß eine anschließende Trocknung bei einer ebenfalls erhöhten Temperatur in der Atmosphäre zu Vorteilen führen kann, wobei wahrscheinlich eine Oxidation des Heißsiegelklebers 11 erfolgt. Bei diesem Trocknungsvorgang reduziert der Heißsiegelkleber seine Dicke auf etwa 25% der ursprünglich 120 bis 150 μιη betragenden Auftragsdicke. Mit Hilfe des Heißsiegelklebers 11 wird auf dem Deckglas 10 anschließend eine Kupferfolie von einer Dicke von ca. 35 μηι bei etwa 170° bis 180° aufgesiegelt. Aus dieser Kupferfolie wird anschließend das in F i g. 1 dargestellte Gitter 12 herausgeätzt, wobei die bei der Herstellung von Leiterplatten bekannte Technik angewendet wird. Es wird zunächst ein Lackgitter im Siebdruckverfahren, das dem nachher stehenbleibenden Gitter 12 entspricht. Nachdem das Gitter 12 erstellt und der Lack wieder entfernt wurde, wird galvanisch auf das Gitter eine Schicht 13 aus Gold aufgetragen, um einen sperrschichtfreien Kontakt zu ermöglichen. Die Schichtstärke beträgt etwa 100 bis lOOOnm, vorzugsweise 250 nm.
Der nunmehr fertige Oberteil 2 wird mit dem Unterteil 1 in einer Vakuumpresse bei ca. 170° bis 180° verbunden, wobei die Verbindung durch die Schicht 11 des Heißsiegelklebers enthalten wird, die eine Schichtdicke aufweist, die etwas größer als die Dicke des Gitters 12 ist. Das Gitter 12 legt sich mit seiner Goldschicht 13 an die Schicht 8 aus Kupfer an und stellt einen sicheren Kontakt her, während anschließend bei dem Aufheizen das Gitter 12 in die Schicht 11 eindringt, die außerdem noch eine haftende Verbindung zwischen dem Deckglas 10 und der Schicht 8 herstellt. Der Oberteil 2 wird dabei derart versetzt auf dem Unterteil 1 aufgebracht, das in der Zeichnungs links, d. h. dem Kontaktstreifen 9 gegenüberliegend ein Streifen 14 des Gitters 12 freiliegt, der ebenfalls als Kontakt dient. Nach diesem Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil liegt eine feste in sich geschlossene Zelle vor, die keiner weiteren Behandlung oder Verstärkung bedarf. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, die quer zu den Kontaktstreifen 9 und 14 verlaufenden Ränder abzudichten, was beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder Verlöten der Deckplatte 10 und der Grundplatte 3 erfolgen kann.
mi Aus mehreren der in Fi g. 1 dargestellten Solarzellen laßt sich eine Solarbatterie zusammensetzen, wobei dann die von den Randstreifen 9 und 14 gebildeten Kontakte der benachbarten -Solarzellen miteinander verbunden werden.
br> Um bei der Erstellung einer Solarbatterie zusätzliche Trägerelemente einzusparen, kann für mehrere Solarzellen ein gemeinsames Deckglas 15 vorgesehen werden, wie dies in F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Dabei wer-
den Unterteile 1 verwendet, die entsprechend der vorausgegangenen Beschreibung hergestellt wurden. Diese Unterteile werden zweckmäßig in einer bestimmten Größe hergestellt, in der sie sich wirtschaftlich fertigen lassen. Dagegen bereitet es keine größeren Schwierigkeilen, das gemeinsame Deckgals 15 großflächig herzustellen und mit einer Vielzahl von Gittern 12 in der vorstehend beschriebenen Weise zu versehen. Die Kontakte zwischen den einzelnen Solarzellen werden entsprechend der zur Fig. 1 beschriebenen Weise hergestellt, die in Fig.2 nur schematisch angedeutet sind. Dabei wird jeweils bei denen in einer Reihe liegenden Solarzellen ein Kontakt des Gitters 12 mit der als elektrisch leitenden Unterlage dienenden Schicht 5 aus Silber hergestellt. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, können selbstverständlich mehrere Reihen derartiger Zellen an dem gemeinsamen Deckglas befestigt werden. Die Befestigung erfolgt dann durch die Schicht 11 des Heißsiegelklebers in einem einzigen Arbeitsgang. In der Praxis ist es zweckmäßig, die Stirnseiten zwischen den Kontakten 14 und 9 sowie die Fugen zwischen den einzelnen Zellen abzudichten, was durch Vergießen mit einem Kleber o. dgl. zweckmäßig erfolgen kann. Ebenso ist ein Verlöten oder Verschweißen der Glasplatte möglich.
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Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Solarzellen mit pn-Heteroübergang, bei dem aus einer auf eine elektrisch leitende Unterlage aufgedampften CadmiumsulFid-Schicht und einer darauf chemisch erzeugten Kupfersulfid-Schicht ein Unterteil gebildet wird, mit dem ein elektrisch leitendes Gitter unter Verwendung einer mit Haftmittel versehenen Abdeckung verpreßt und in elektrischen Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckung ein Deckglas (10) verwendet wird, daß das leitende Gitter (12) zunächst auf dem Haftmittel (11) erzeugt wird und auf diese Weise aus dem Deckglas (10), dem Haftmittel (11) und dem leitenden Gitter (12) ein Oberteil (2) gebildet wird, das anschließend mit dem Unterteil (1) verpreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Deckglas (10) des Oberteils (2) ein Heißsiegelkleber (U) aufgetragen wird, an dem zunächst eine Kupferfolie gehalten wird, aus der anschließend ein Gitter (12) herausgeätzt wird, wonach Oberteil (2) und Unterteil (1) unter Vakuum mittels des Heißsiegelklebers (11) des Oberteils (2) heißversiegelt und verpreßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißsiegelkleber (11) flüssig aufgetragen und anschließend in Vakuum und gegebenenfalls danach in Atmosphäre getrocknet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammenfügen von Oberteil (2) und Unterteil (1) auf das Gitter (12) zum Erzielen eines sperrschichtfreien Kontakts eine dünne Goldschicht (13) galvanisch aufgetragen wird.
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