DE3339417A1 - Kontaktierungssystem fuer duennschicht-solarzellen - Google Patents

Kontaktierungssystem fuer duennschicht-solarzellen

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NUKEM GmbH
Rodenbacher Chaussee 6 6450 Hanau/Main 11
ZweibrückenB trαßθ 15 D - 8OOO München 2 (Gegenüber dem Patentamt) Telefon (089) 22 25 ΘΘ Telex 6 22 084
Am Markt 11, Postfach 2144 D - 64BO Hanaul Telefon (00 181) 2 43 83 Telex 4184782
Kontaktierungssystem für Dünnschicht-Solarzellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktierungssystem für Dünnschicht-Solarzellen mit oberer Halbleiter.schicht und auf dieser aufgebrachtem und zu dieser einen 0hm'sehen Kontakt aufweisendem Frontkontakt.
Dünnschicht-Solarzellen bestehen im wesentlichen aus einer auf einem Träger aufgebrachten elektrisch leitenden Unterlage, einer darauf aufgebrachten ersten p- oder η-Leitenden Halbleiterschicht, einer darauf angeordneten zweiten n- oder p-leitenden Halbleiterschicht, auf die ein elektrisch leitender Frontkontakt vorzugsweise in Form eines Gitters aufgebracht ist. Dabei kann ein kristallines oder amorphes Silizium als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Kristalline Solarzellen haben gegenüber a-Si-Solarzellen zwar einen höheren Wirkungsgrad, jedoch ist deren Herstellung erheblich aufwendiger und damit kostenträchtiger im Vergleich zu den a-Si-Solarzellen. Ferner gibt es Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzellen, die zwar auch gegenüber den bekannten Si-Einkristall-Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen, jedoch ebenfalls den erheblichen Vorteil zeigen, daß eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Daher finden Cu-S-CdS-Solarzellen für den terrestrischen Bereich immer mehr Interesse.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt unter anderem auch davon ab, daß ein sperrschichtfreier Kontakt zwischen dem Frontkontakt und der oberen lichtquellenseitigen Halbleiterschicht vorhanden ist. Dabei muß gleichzeitig sichergestellt werden, daß durch die Berührungsfläche des Halbleiters zum Frontkontakt, der häufig aus Kupfer besteht, keine Beeinflussung der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht erfolgt, wodurch eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades bis hin zur Unwirksamkeit der Solarzelle erfolgen kann.
Um dies zu verhindern ist es bekannt, bei Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzellen mit aus Kupfer bestehendem Frontkontakt auf die lichtquellenseitige Halbleiterschicht zunächst eine Goldschicht aufzutragen, die einen guten ohm'sehen Kontakt bietet. Da jedoch die Goldschicht keine Permeationsbarriere zu dem frontseitigen Kupferkontakt bildet,
.15 also nicht verhindert, daß Kupfer in die Kupfersulfidschicht diffundiert und damit die Stöchiometrie der Kupferschicht ändert, ist es erforderlich, eine Nickelschicht auf die Goldschicht aufzutragen, um anschließend den Kupfer-Frontkontakt aufzubringen. Dabei dient die Nickelschicht dann als Permeationsbarriere. Erkennbar ist die Ausbildung eines entsprechenden Kontaktierungssystems herstellungstechnisch aufwendig und kostenintensiv, so daß insbesondere für die großtechnische Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen ein anderes Kontaktierungssystem dringend erforderlich erscheint.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktierungssystem der zuvor beschriebenen Art so auszubilden, daß zum einen sichergestellt ist, daß ein sperrschichtfreier Ladungsträgertransport von der Halbleiterschicht zum Frontkontakt erfolgt, wobei verfahrensmäßig das Kontaktierungssystem einfach herzustellen sein soll u.a. gewährleistet ist, daß die Halbleiterschicht einer Langzeitbeeinflussung durch den Frontkontakt nicht unterliegt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Frontkontakt gegenüber der Halbleiterschicht durch zumindest im Kontakt-35
- y-
bereich erfolgte Anpassung seines chemischen Potentials an das chemische Potential der Halbleiterschicht oder durch Aufbau eines chemisch inerten Systems als Reaktionsbarriere zwischen Frontkontakt und Halbleiterschicht passiviert ist.
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Durch die spezielle Wahl des chemischen Potentials des mit der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht in Berührung kommenden Bereichs des Frontkontakts ist sichergestellt, daß in die Halbleiterschicht keine Fremdatome eindiffundieren können, die die Halbleiterschicht negativ beeinflussen, wobei jedoch gleichzeitig der gute ohm'sche Kontakt beibehalten wird. Dies kann zum Beispiel bei einer Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzelle mit aus Kupfer bestehendem Frontkontakt dadurch erfolgen, daß zumindest die mit der Halbleiterschicht in Berührung gelangenden Bereiche des Kupferkontakts sulfidiert oder oxidiert sind, je nachdem ob die lichtquellenseitige Halbleiterschicht nur aus Cu0 VS besteht oder zusätzliche eine Kupferoxidschicht Cu0 v0
Ζ—Λ. Δ~ι
aufweist.
Der alternative Lösungsvorschlag sieht vor, daß zwischen dem Frontkontakt und der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht eine Zwischenschicht vorzugsweise in Form einer Paste angeordnet wird, die selektiv aufgetragen und eine flächenmäßige Ausdehnung aufweisen sollte, die vorzugsweise kleiner als die Projektion des Frontkontakts auf die Halbleiterschicht ist. Dabei kann bei einer Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzelle die Paste eine Grafit/Russ-Leitpaste oder eine vergoldete Grafit/Russ-Leitpaste oder eine Gold-Leitpaste sein, die selektiv aufgebracht ist und eine Stärke von vorzugsweise 1-10 y.m aufweist.
Vorzugsweise kann der Frontkontakt selbst aus parallel oder nahezu parallel zueinander angeordneten Drähten bestehen, die zumindest im Berührungsbereich (Größenordnung 100 jam) der Halbleiterschicht aus dem gleichen Material wie diese besteht. Alternativ dazu kann zwischen den Drähten und der Halbleiterschicht eine Kontaktpaste oder
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ähnliches angeordnet sein, die eine Reaktionsbarriere zwischen Frontkontakt und Halbleiterschicht darstellt. Die Drähte selbst können einen Durchmesser von vorzugsweise 50 - 200 Jim aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktierungssystems, insbesondere der zuvor beschriebenen Art, zeichnet sich dadurch aus, daß der Frontkontakt vor seinem Anordnen auf die lichtquellenseitige Halbleiterschicht zumindest im Kontaktbereich chemisch der Halbleiterschicht angepaßt wird. Dies kann zum Beispiel bei einer Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarelle mit Kupfer als Frontkontakt dadurch erfolgen, daß das Kupfer im Kontaktbereich zur Halbleiterschicht vor Aufbringen auf die Halbleiterschicht sulfidiert oder oxidiert wird, indem die Drähte einer H„S- bzw. Sauerstoff atmosphäre unter definierten Temperaturbedingungen ausgesetzt werden. Alternativ könnte naßtechnisch (Ammoniumsulfid oder alkalisch) vorgegangen werden. Eine weitere Möglichkeit des Herstellens des Kontaktierungssystems besteht darin, daß auf der· lichtquellenseitigen Halbleiterschicht ein eine Reaktionsbarriere bildender Kleber ganzflächig aufgetragen wird, daß auf dem Kleber selektiv der Frontkontakt aufgetragen wird, und daß anschließend die zwischen den Frontkontaktstellen vorhandenen Bereiche gelöst und entfernt werden. Kleber auf der Basis wasserlöslicher Russ/Grafit-Paste haben sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des Kontaktierungssystems besteht darin, daß auf eine leitende Schicht Paste als Resist selektiv aufgetragen wird, daß anschließend zwischen dem Resist der Leiter entfernt wird und daß der Resist als Reaktionsbarriere auf die Halbleiterschicht aufgetragen wird. Als leitende Schicht dürfte vorzugsweise Kupferfolie und als Paste Russ/Grafit gewählt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich sowohl aus den Ansprüchen als auch im Zusammenhang mit der Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführung sbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Solarzelle,
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Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Kontaktierungssystems und
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Kontaktierungssystems.
In Fig. 1 ist rein schematisch und in vergrößerter Darstellung ein Ausschnitt einer Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzelle 10 dargestellt. Auf einem Träger wie einem Substrat 12, das zum Beispiel in Lösungsmittel mit Ultraschall gereinigt ist, kann zunächst eine Haftmittlungsschicht 14 in Form von zum Beispiel aufgedampftem Chrom aufgetragen werden, um auf diese einen ersten (rückseitigen) elektrischen Kontakt 16 anzuordnen. Dieser kann aus Silber bestehen und ebenfalls durch Aufdampfen aufgetragen sein. Auf die Silberschicht 16 wird sodann eine Schicht aus Cadmiumsulfid 18 aufgedampft. Diese kann zur Verringerung von Reflexionen und zum Herausätzen von Korngrenzen kurzzeitig mit wässriger Salzsäure behandelt sein. Auf der Cadmiumsulfidschicht 18 wird anschließend eine Kupfersulfidschicht 20 erzeugt. Dies kann durch eine chemische Reaktion durch Eintauchen in eine einwertige Kupfer-Ionenlösung erfolgen. Dabei ist die Schichtdicke der Kupfersulfidschicht 20 in etwa 0,2 jam, wohingegen die Cadmiumsulfidschicht 18 eine Stärke in der Größenordnung von 30 um aufweist. Auf die Kupfersulfidschicht 20 kann dann noch eine Kupferoxidschicht (Cu„_yO) aufgebracht werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß auf die Kupfersulfidschicht (Cu„_„S) Kupfer aufgedampft wird, um anschließend bei thermischer Behandlung ein Auffüllen von Leerstellen durch eindifundierendes Kupfer in die Kupfersulfidschicht 2Ό und eine Ausbildung der Kupferoxidschicht 22 zu ermöglichen.
Auf die Kupfersulfidschicht 20 bzw. die gegebenenfalls vorhandene Kupferoxidschicht 22 wird sodann ein frontseitiges Kontaktierungs-
BAD ORIGINAL
system 24 angeordnet, das nachstehend beschrieben wird. Schließlich kann der Frontkontakt von einem Deckglas 25 abgedeckt sein. Auch ist zu erwähnen, daß entsprechend aufgebaute Solarzellen zu Modulen geschaltet werden können.
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Das Kontaktierungssystem 24 kann aus parallel zueinander angeordneten Kupferdrähten 26 bestehen, die einen guten Ladungsträgertransport sicherstellen. Um jedoch zu verhindern, daß Kupferionen von den Kupferdrähten 26 in die Schicht 20 bzw. Schicht 22 eindiffundieren, wodurch deren Wirkungsweise negativ beeinflußt werden würde, ist der Kontaktbereich (Bezugszeichen 28) zur frontseitigen Halbleiterschicht 20 bzw. 22 hin passiviert. Dies kann durch chemische Umwandlung in das der frontseitigen Halbleiterschicht entsprechende Material erfolgen. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, daß der Bereich 28 in Cu0 v0 bzw. Cu0 VS umgewandelt wird. Dabei kann dieses Sulfidieren bzw. Oxidieren naßchemisch oder aus der Gasphase erfolgen. Die sich dabei ausbildende Schichtdicke 28 beträgt ca. 100 nm. Herstellungstechnisch kann es natürlich vorteilhafter sein, wenn die Drähte als Einheit bezüglich ihrer Oberfläche sulfidiert oder oxidiert sind. In diesem Fall würde dann die Umfangsschicht des Drahtes 26 aus Kupfersulfid bzw. Kupferoxid bestehen. Dieser Fall ist in der Fig. 2 gestrichelt angedeutet und mit dem Bezugszeichen 30 versehen. Die Stärke dieser Schicht beträgt dann in etwa 100 nm.
Eine weitere Möglichkeit, den Frontkontakt 24 mit der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht 20 bzw. 22 bei gutem ohm'schem Kontakt zu verbinden, ohne daß die Gefahr besteht, daß eine Langzeitbeeinflussung der Halbleiterschicht aufgrund von von dem Frontkontakt in diese diffundierenden Ionen erfolgt, kann zwischen dem Frontkontakt, der aus Drähten oder aus einem Gitter bestehen kann, eine Paste angeordnet werden, die außerdem eine Re'aktionsbarriere zwischen dem Frontkontakt und der angrenzenden Halbleiterschicht bildet.
In Fig. 3 ist diese Zwischenschicht mit dem Bezugszeichen 32 versehen, wobei erkennbar wird, daß diese im Vergleich zu dem auf ge-
brachten durch Drähte 34 dargestellten Frontkontakt flächenmäßig eine geringere Erstreckung zeigen können. Dadurch ist sichergestellt, daß die Paste 32 keine weitere als durch den Durchmesser der Drähte bedingte Abschattung hervorruft. Die Dicke der Pastenflecken ist 10 lim. Ist in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 3 der Frontkontakt als parallel zueinander verlaufende Drähte angedeutet, die einen Durchmesser von 50 - 200 um aufweisen, so kann dieser selbstverständlich auch Gitterstruktur oder ähnliches aufweisen.
Als Verbindungsmaterial 32 sind Leitpasten wie zum Beispiel Grafit/Russ-Leitpasten oder vergoldete Grafit/Russ-Leitpasten oder Goldleitpasten möglich, die einen guten ohm'sehen Kontakt zwischen lichtquellenseitiger Halbleiterschicht 20 bzw. 22 und dem Frontkontakt 34 sicherstellen, wobei gleichzeitig eine Reaktionsbarriere geschaffen wird.
Eine Möglichkeit, einen gitterförmigen Frontkontakt auf die lichtquellenseitige Halbleiterschicht aufzubringen, besteht darin, daß ganzflächig ein Kleber aufgebracht wird, auf den zum Beispiel im Siebdruckverfahren ein Kupfergitter aufgetragen wird, um anschließend die von dem Gitter nicht bedeckten Bereiche des Klebers zu entfernen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf eine leitende Schicht eine Paste als Resist selektiv aufzutragen, um anschließend den Leiter zwischen dem Resist zu entfernen. Sodann kann der Resist als Reaktionsbarriere auf die Halbleiterschicht aufgetragen werden, damit sodann das gewünschte Kontaktierungssystem zur Verfügung steht. Hier dürften insbesondere Materialien auf der Basis von Grafit/Russ-Gemischen geeignet sein.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Kontaktierungssystem für Dünnschicht-Solarzellen mit oberer Halbleiterschicht und auf dieser aufgebrachtem und zu dieser einen Ohm'sehen Kontakt aufweisendem Frontkontakt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Frontkontakt (24, 26, 34) gegenüber der Halbleiterschicht (20 bzw. 22) durch zumindest im Kontaktbereich erfolgte Anpassung seines chemischen Potentials an das chemische Potential der Halbleiterschicht oder durch Aufbau eines chemisch inerten Systems als Reaktionsbarriere (32) zwischen dem Frontkontakt und der Halbleiterschicht passiviert ist.
    2. Kontaktierungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Material des Frontkontakts (24, 26, 34) im Kontaktbereich zur Halbleiterschicht (20, 22) chemisch inert ist.
    3. Kontaktierungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Frontkontakt (24. 26, 34) zumindest im Bereich des Kontakts zur Halbleiterschicht (20, 22) aus dem gleichen Material wie die Halbleiterschicht besteht.
    L,. Kontaktierungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen dem Frontkontakt (34) und der Halbleiterschicht (20, 22) im Berührungsbereich einen ohm'sehen Kontakt sichernde und eine Permeation verhindernde Paste (32) angeordnet ist.
    5· Kontaktierungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das gegen die Halbleiterschicht (20, 22) chemisch inerte Material (32) des Kontaktierungssystems selektiv aufgetragen ist.
    6. Kontaktierungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Frontkontakt (24, 26, 34) aus parallel oder nahezu .15 parallel zueinander angeordneten Drähten besteht.
    7· Kontaktierungssystem für eine Kupfersulfid-Cadmiumsulfid-Solarzelle mit lichtquellenseitiger Cu„ VS oder Cu„ VO Halbleiterschicht und einem auf diesem aufgebrachtem Frontkontakt aus Kupfer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der mit der Halbleiterschicht (20, 22) in Berührung gelangende Bereich des Cu-Kontakts (26) sulfidiert oder oxidiert ist.
    8. Kontaktierungssystem nach Anspruch L, mit einem Cu-Frontkontakt, dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen dem Cu-Frontkontakt und der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht (20, 22) eine Grafit/Russ-Leitpaste oder eine vergoldete Grafit/Russ-Leitpaste oder eine Goldleitpaste (32) als Reaktionsbarriere selektiv aufgebracht ist.
    9. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktierungssystems insbesondere nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß nach Ausbildung der lichtquellenseitigen Halbleiterschicht vorzugsweise ganzflächig ein Kleber wie zum Beispiel Russ/Grafit-Paste mit wasserlöslichem Bindemittel aufgetragen wird,
    daß auf den Kleber selektiv der Frontkontakt aufgetragen wird und
    daß anschließend der zwischen den Frontkontaktstellen vorhandene Kleber entfernt wird.
    10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktierungssystems nach insbesondere Anspruch 1,
    15. dadurch gekennzeichnet,
    daß auf eine leitende Schicht Paste als Resist selektiv aufgetragen wird,
    daß der zwischen dem Resist vorhandene Leiter entfernt wird und
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    daß der Resist als Reaktionsbarriere mit dem Leiter auf die Halbleiterschicht aufgebracht wird.
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