DE3317269A1 - Duennschicht-solarzellenanordnung - Google Patents
Duennschicht-solarzellenanordnungInfo
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Description
- Dünnschicht-Solarzellenanordnung
- Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit einem als Träger für die Solarzellen dienenden, dem Lichteinfall zuzukehrenden und für den Spektralbereich des sichtbaren Lichts transparenten Substrat, wobei jede Solarzelle eine Schichtstruktur besitzt und mindestens eine photoempfindliche Halbleiterschicht sowie als oberste, dem Lichteinfall zugekehrte Schicht eine transparente, vorzugsweise aus einem Metalloxid bestehende Frontseitenelektrode aufweist.
- Aus der DE-OS 31 40 139 ist es bekannt, als Träger für eine Solarzelle ein transparentes Substrat, nämlich Glas, zu verwenden. Dieses transparente Substrat wird im Betrieb dem Lichteinfall zugekehrt, und die Solarzelle ist auf der Rückseite des Substrats aufgebracht. Die Solarzelle besitzt eine Schichtstruktur mit einer Metalloxidschicht als oberster, dem Lichteinfall zugekehrter, direkt mit dem Glassubstrat verbundener Schicht und einer in verschieden dotierte Zonen unterteilten, photoempfindlichen Halbleiterschicht. Auf der Rückseite dieser Halbleiterschicht befindet sich weiterhin eine Metallschicht, die als Rückseitenelektrode dient, während die transparente, beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid bestehende Metalloxidschicht die Funktion einer Frontseitenelektrode erfüllt. Eine Metalloxidschicht ist wegen ihrer im Vergleich zu einer Metallschicht höheren Transparenz im sichtbaren Bereich als Frontseitenelektrode besonders geeignet.
- Eine starre Glasscheibe als Substrat besitzt zwar eine gute Transparenz und Haltbarkeit und kann auch so groß flächig ausgebildet werden, daß sie eine Vielzahl von einzelnen Solarzellen aufnehmen kann, jedoch werden heute bereits häufig flexible, bandförmige Substrate verwendet, die in großen Längen auf Rollen aufgewickelt zur Verfügung stehen, und auf die die Schichtstrukturen der einzelnen Solarzellen in mehreren aufeinanderfolgenden Behandlungsschritten aufgebracht werden. Für ein derartiges kontinuierliches Herstellungsverfahren sind Glasplatten als Substrat ersichtlich nicht geeignet. Im übrigen besteht auch das Bestreben, das flächenbezogene Gewicht und damit auch die Transportkosten zu senken.
- Als flexible, in Bandform verarbeitbare Substrate wurden daher bereits Plastikfolien vorgeschlagen, so etwa gemäß der FR-PS 24 29 495 eine Folie auf der Basis von Polyimid oder Polyäthylenterephthalat. Diese Folien sind jedoch, vor allem wegen ihrer schlechten Transparenz, nur als Rückseitensubstrate geeignet, d.h. sie können nicht der Lichteinfallsseite zugekehrt werden. Demgemäß sind auf die Folie als unterste Schichten der Solarzellen zunächst Metallschichten aufgebracht, die als Rückseitenelektroden fungieren, und auf deren Transparenz naturgemäß kein Wert gelegt zu werden braucht.
- Die Verwendung solcher Folien mit direkt darauf aufgebrachten metallischen Rückseitenelektroden hat einen besonderen Nachteil im weiteren Herstellungsverfahren. Zur Ablagerung der beispielsweise aus amorphem Silizium bestehenden, photoempfindlichen Halbleiterschichten, gewöhnlich durch Glimmentladung aus der Gasphase heraus oder durch chemische Gasphasenabscheidung erfolgend, sind nämlich erhöhte Substrattemperaturen erforderlich, im Falle des amorphen Siliziums ca. 2500 C. Hier besteht einerseits die Gefahr, daß entweder von der Oberfläche der metallischen Rückseitenelektrode Metallatome in die Gasphase und beim Ablagerungsprozeß in die Halbleiterschicht gelangen oder Metallatome unter der Einwirkung der erhöhten Temperatur aus der Metallschicht in die sich ablagernde Halbleiterschicht eindiffundieren, wodurch in beiden Fällen unerwünschte Verunreinigungen verursacht werden, die sich wiederum ungünstig auf den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirken. Andererseits ist es aber günstig, als Rückseitenelektrode eine Metallschicht zu verwenden, und zwar vor allem wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit bzw.
- ihres geringen elektrischen Flächenwiderstandes. Demnach erscheint es wünschenswert, den Aufbau der Schichtstruktur der Solarzelle von der dem Lichteinfall zuzukehrenden Frontseite her zu beginnen, da als Frontseitenelektrode wegen ihrer vergleichsweise geringeren Transparenz im allgemeinen sowieso keine Metallschicht verwendet wird. Die oben erwähnten Schwierigkeiten treten nicht auf, da die metallische Rückseitenelektrode nunmehr erst nach der photoempfindlichen Halbleiterschicht abgelagert wird. Das Aufbringen der Halbleiterschicht auf die Metalloxidschicht ist aber insofern unkritisch, als etwa das bevorzugt verwendete Zinn hinsichtlich seiner Elektronenhülle dem Silizium eng verwandt ist und somit Zinneinlagerungen in der Siliziumschicht :#~##wa:. stören.
- Es ergibt sich also die Problemstellung, ein flexibles, in Bandform verarbeitbares Substrat zu finden, welches geeignet ist, als dem Lichteinfall zuzukehrendes Frontseitensubstrat zu fungieren. Ein solches Substrat sollte verschiedene Eigenschaften besitzen, die es in ihrer Gesamtheit erst-als für den vorgesehenen Zweck geeignet erscheinen lassen. Neben der bereits erwähnten, auf die Dauer des Herstellungsprozesses bezogenen Temperaturbeständigkeit muß hier vor allem eine für den Dauerbetrieb, d.h. über Jahre hin, andauernde Temperaturbeständigkeit gefordert werden. Von äußerster Wichtigkeit ist selbstverständlich eine hohe Transparenz für den sichtbaren Spektralbereich. Das Substratmaterial sollte spezifisch leicht sein und möglichst wenig Wasserdampf aufnehmen, da der Wasserdampf vor dem Aufbringen der Solarzellenschichten durch Aufheizen des Substrates ausgetrieben werden müsste, und zwar außerhalb der Beschichtungskammern, wegen der sonst bestehenden Gefahr der Einlagerung von Sauerstoffmolekülen in die Halbleiterschicht. Das Substratmaterial sollte insgesamt so beschaffen sein, daß es einen über Jahre andauernden Einsatz in der freien Natur ohne wesentliche Degradation seiner Eigenschaften aushält. Für den Herstellungsprozeß ist außerdem von besonderer Wichtigkeit, daß das Material für die aufzubringenden Metalloxidschichten eine gute Haftfähigkeit gewährleistet.
- Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe folgt aus der skizzierten Problemstellung. Es ist demnach ein Substrat für eine Solarzellenanordnung der eingangs umrissenen Art anzugeben, das den oben geschilderten Anforderungen möglichst weitgehend entspricht.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als transparentes Substrat eine hitzebeständige, aus einem Fluorpolymeren bestehende Kunststoffolie verwendet wird, auf die die Frontseitenelektrode direkt aufgebracht ist.
- Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
- Als besonders geeignete Folienmaterialien haben sich gewisse aus der Schmelze verarbeitbare thermoplastische Copolymere des Tetrafluoräthylens oder des Chlortrifluoräthylens erwiesen.
- Als weitere Monomere, die in den Copolymeren enthalten sein können, seien genannt: Olefine, insbesondere Äthylen, Perfluorolefine, insbesondere Hexafluorpropylen, Vinylverbindungen wie Vinylidenfluorid oder Vinylfluorid, perfluorierte und teilfluorierte Allylalkyl- und Alkylvinyläther wie die Perfluoralkylvinyläther, insbesondere Perfluorpropylvinyläther, sowie teilfluorierte Olefine wie Chlortrifluoräthylen. Aber auch andere Polymere auf Fluorbasis sind unter gewissen Umständen als Folienmaterial geeignet, so beispielsweise nicht aus der Schmelze verarbeitbares Polytetrafluoräthylen, gegebenenfalls mit Zusätzen fluorhaltiger Monomere, wie Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinyläther oder Chlortrifluoräthylen, oder aus der Schmelze verarbeitbare Homopolymere des Vinylfluorids, des Vinylidenfluorids oder des Chlortrifluoräthylens, also Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid bzw. Polychlortrifluoräthylen.
- Im Falle der obengenannten Copolymeren des Tetrafluoräthylens können weitere modifizierende Dritt- oder Viertkomponenten verwendet werden, und zwar fluorfreie Monomere, etwa Vinylester, Acryl- oder Methacrylsäure und deren Derivate oder nichtfluorierte Vinyl- oder Allyläther. Diese modifizierenden Dritt- und Viertkomponenten verleihen insbesondere den Copolymeren vom Typ Tetrafluoräthylen/Athylen oder Chlortrifluoräthylen/Athylen verbesserte Eigenschaften.
- Die genannten Folienmaterialien können nach herkömmlichen Methoden zu Folien verarbeitet werden, etwa durch Extrusion über Breitschlitzdüsen mit nachgeschalteten Walzen. Weiterhin können Folienblasverfahren angewendet werden, also Extrusion durch eine Ringdüse unter gleichzeitigem Aufblasen und anschließendem Flachlegen. Insbesondere bei der Extrusion durch Breitschlitzdüsen können Verstärkungsfäden oder Gewebe als verstärkende Einlage in die Folie eingelagert werden.
- Im Falle der Verwendung nicht aus der Schmelze nach thermoplastischen Formgebungsverfahren verarbeitbarer Folienmaterialien, wie etwa des Polytetrafluoräthylens, können die Folien durch Abschälen von einem durch Pressen hergestellten Block gewonnen werden.
- In der folgenden Tabelle sind einige wichtige Eigenschaften einiger der obengenannten Materialien aufgeführt.
Dichte Schmelze Temp.- H2O- T#. - Trans- Witte- Erfahun- bei bereich einsatz durch parenz rungsbe- gen im 230 C bereich (100 µm- ständig- Außen- keit Folie) keit bei einsatz Folie) Bewitt. Degra- dation g °C oc °C g bar % h Jahre PTFE 2,17 320-340 bis 260 5 85-90 - > 10 TFE + PPVE F 2,15 300-310 bis 250 8 97 TFE + PPVE 2,15 260-290 bis 200 1 97 5000 > 10 HE# TFE + ET 1,75 265-278 bis 150 2 95 10000 # 5 P 1,78 168-172 bis 135 2 93 ' 7000 5 PVF 1,45 185-190 bis 100 7 95 8000 > 10 2,10 183-204 bis 180 1 90 i 3000 > 1 ECTFE 1,70 236-246 bis 150 2 85-90 g - >1 - In der Tabelle bedeuten: TFE = Tetrafluoräthylen PTFE = Polytetrafluoräthylen TFE/PPVE = Tetrafluoräthylen/Perfluorpropylvinyläther TFE/HFP = Tetrafluoräthylen/Hexafluorpropylen PVDF = Polyvinylidenfluorid PVF = Polyvinylfluorid PCTFE = Polychlortrifluoräthylen ECTFE = Athylen/Chlortrifluoräthylen ET = ÄthyLen Hieraus ergibt sich, daß ein Copolymeres aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen besonders gut geeignet ist.
- Dieses besitzt eine gute thermische Belastbarkeit und zeichnet sich darüberhinaus durch hohe Transparenz, besonders niedrige Wasserdampfdurchlässigkeit, hohe Formbeständigkeit und lange Lebensdauer im Außeneinsatz aus. Copolymere aus Tetrafluoräthylen und Perfluorpropylvinyläther sind vor allem wegen ihrer hohen thermischen Belastbarkeit sowie ihrer hohen Transparenz bevorzugt. Hohe Transparenz und lange Lebensdauer weisen außerdem die Copolymeren aus Tetrafluoräthylen und äthylen sowie das Polyvinylfluorid auf, wobei das letztere allerdings thermisch weniger belastbar ist. Je nach den gegebenen Verfahrensbedingungen ergibt sich somit die Möglichkeit, unter den Fluorkunststoffen den jeweils -geeignetsten auszuwählen.
- Es hat sich gezeigt, daß die Flubrkunststoffe darüberhinaus die erforderliche Haftfähigkeit für die direkt aufzubringenden Metalloxidschichten, wobei insbesondere Indium-Zinn-Oxid bevorzugt ist, gewährleisten.
Claims (19)
- Dünnschicht-Solarzellenanordnung Patentansprüche C Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit einem als Träger für die Solarzellen dienenden, dem Lichteinfall zuzukehrenden und für den Spektralbereich des sichtbaren Lichts transparenten Substrat, wobei jede Solarzelle eine Schichtstruktur besitzt und mindestens eine photoempfindliche Halbleiterschicht sowie als oberste, dem Lichteinfall zugekehrte Schicht eine transparente, vorzugsweise aus einem Metalloxid bestehende Frontseitenelektrode aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als transparentes Substrat eine hitzebeständige, aus einem Fluorpolymeren bestehende Kunststoffolie verwendet wird, auf die die Frontseitenelektrode direkt aufgebracht ist.
- 2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kunststoffolie während einer der Dauer des Herstellungsprozesses der Zelle in etwa entsprechenden Zeitdauer eine thermische Belastbarkeit von mindestens 2000 C aufweist.
- 3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Wasserdampfdurchlässigkeit höchstens 10 g/m2.d.bar, bezogen auf eine Foliendicke von 100 ßm, beträgt.
- 4. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Fluorpolymere ein nicht aus der Schmelze verarbeitbares Polymeres des Tetrafluoräthylens ist.
- 5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das aus der Schmelze nicht verarbeitbare Polymere des Tetrafluoräthylens Polytetrafluoräthylen ist.
- 6. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das aus der Schmelze nicht verarbeitbare Polymere neben polymerisierten Einheiten des Tetrafluoräthylens zusätzlich polymerisierte Einheiten eines fluorhaltigen Monomeren in modifizierenden Anteilen (# c 1,5 Mol-%) enthält.
- 7. Solarzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als zusätzliche fluorhaltige Monomere Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinyläther mit Alkylresten von 1 bis 5 C-Atomen, vorzugsweise 3 C-Atomen, oder Chlortrifluoräthylen verwendet werden.
- 8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Fluorpolymere ein aus der Schmelze verarbeitbares Homopolymeres des Vinylfluorids, Vinylidenfluorids oder Chlortrifluoräthylens ist.
- 9. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Fluorpolymere ein aus der Schmelze verarbeitbares thermoplastisches Copolymeres des Tetrafluoräthylens oder des Chlortrifluoräthylens ist, das neben mindestens 30 Mol-% copolymerisierten Einheiten des Tetrafluoräthylens oder des Chlortrifluoräthylens zusätzlich copolymerisierte Einheiten mindestens eines weiteren Monomeren in Anteilen von jeweils mindestens 1 Mol-% enthält.
- 10. Solarzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als das oder eines der weiteren Monomeren Olefine, insbesondere Äthylen, Perfluorolefine, vorzugsweise Hexafluorpropylen, perfluorierte und teilfluorierte Allylalkyl- und Alkylvinyläther wie Perfluoralkylvinyläther, vorzugsweise Perfluorpropylvinyläther, Vinylverbindungen wie Vinylidenfluorid und Vinylfluorid oder teilfluorierte Olefine wie Chlortrifluoräthylen verwendet werden.
- 11. Solarzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e -k en n z e i c h n e t , daß als modifizierende Dritt-oder Viertkomponenten fluorfreie Monomere, etwa Vinylester, Acryl- oder Methacrylsäure und deren Derivate oder nichtfluorierte Vinyl- oder Allyläther in dem Copolymeren enthalten sind.
- 12. Solarzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein aus Hexafluorpropylen und Tetrafluoräthylen bestehendes Copolymeres verwendet wird.
- 13. Solarzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Copolymere zusätzlich modifizierende Anteile an Perfluorpropylvinyläther enthält.
- 14. Solarzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein aus Perfluorpropylvinyläther und Tetrafluoräthylen bestehendes Copolymeres verwendet wird.
- 15. Solarzellenanordnung nach Anspruch 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Copolymere zusätzlich modifizierende Anteile an Hexafluorpropylen enthält.
- 16. Solarzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein aus Äthylen und Tetrafluoräthylen bestehendes Copolymeres verwendet wird.
- 17. Solarzellenanordnung nach Anspruch 16, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Copolymere zusätzlich Hexafluorpropylen oder Perfluorpropylvinyläther in modifizierenden Anteilen enthält.
- 18. Solarzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Copolymere aus Tetrafluoräthylen, Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen besteht.
- 19. Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Verstärkungsfäden oder -gewebe in die Kunststoffolie eingebettet sind.
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