DE3428559A1 - Flexible, glasbeschichtete substrate sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Flexible, glasbeschichtete substrate sowie verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Taiyo Yuden Kabushiki Kaisha, 2-12, Ueno 1-chome,
Taito-ku, Tokyo 110, Japan
Flexible, glasbeschichtete Substrate sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft ein flexibles, glasbeschichtetes Substrat sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Erfindung bezieht sich also auf flexible, isolierende Substrate, die zur Herstellung von Elementen
wie Solarzellen mit amorphem Silizium, Dick- und Dünnschichtschaltkreisen und ähnlichem, eingesetzt
werden.
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BöEHMSRt fic &Θ£ηΜϊ$Τ:.
Bekannte flexible Isolierende Substrate, die zur Herstellung von Elementen wie Solarzellen mit
amorphem Silizium eingesetzt werden, umfassen
(1) Substrate, die durch Herstellung eines dünnen Films von Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf einer
dünnen Platte rostfreien Stahls erhalten werden,
(2) Substrate, die durch Herstellen einer Schicht eines Harzes, wie einem Polyimid, auf einer dünnen
Platte rostfreien Stahls und anschließendes Ausbilden einer'Schicht von Titanoxid, Siliziumoxid
oder Siliziumnitrid auf der Harzschicht durch Vakuum- aufdampfung
erhältlich sind und (3) dünne flexible Glasplattensubstrate.
Die bekannten Substrate besitzen verschiedene Nachteile. Beispielsweise muß bei den Substraten (1)
und (2) die Platte aus rostfreiem Stahl bearbeitet sein, um eine Oberflächenrauhigkeit "unterhalb von
0,1 μΐη für das erstere Substrat und eine Oberflächenrauhigkeit
von unter 0,5 μπι, für letzteres Substrat, aufzuweisen. Anderenfalls kann bei der
Herstellung des isolierenden Überzugs eine zufriedenstellende isolierende Wirkung nicht gesichert
sein. Die Substrate (2) können Isolationsfehlstellen aufweisen, da die Harzschicht so weich ist, daß sie
zu Beschädigungen neigt. Bei der Herstellung eines Elementes auf dem Substrat bringt die Harzschicht
häufig von innen Gas hervor, welches, obwohl es kleine Mengen sind, zum Verbleib von kleinen Löchern
in der Schicht führt, welche zum Wegfall der Isolation führen.
EPOQDPY
BOEHMERT & BQEHMEKT
Obwohl das Substrat (3) die obengenannten Nachteile nicht aufweist, ist es so zerbrechlich, daß bei der
Handhabung des Glassubstrates große Vorsicht notwendig ist, anderenfalls zerbricht es.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, welche die Nachteile
der Substrate nach dem Stand der Technik vermeiden.
Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, welche gute Isolationseigenschaften sogar dann zeigen, wenn
eine Metallplatte relativ großer Oberflächenrauhigkeit eingesetzt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, die weniger
zum Zusammenbruch ihrer Isolationseigenschaften und zum Zerbrechen neigen, sogar dann,wenn externe Kräfte
auf sie ausgeübt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Substrat gelöst, daß gekennzeichnet ist durch eine dünne Metallplatte,
eine erste, auf mindestens einer Seite der Metallplatte mit vielen Poren ausgebildete Glasschicht
und eine auf der ersten Glasschicht hergestellte zweite Glasschicht. Das erfindungsgemäße Verfahren
weist die Schritte:
Vorlegen einer dünnen Metallplatte; Aufbringen einer eine Glaskomponente in Pulverform
und einen Harzbinder aufweisenden Glaspaste auf mindestens einer Seite der Metallplatte;
©PO COPY
· !I
BOEHMHRl; &:6θΕΗΜΕ#Γ:. f
Erhitzen der behandelten Platte bei Temperaturen, die zum Schmelzen des Glaspulvers hinreichend sind;
Abkühlen der Platte und Erhärten des geschmolzenen Glases unter Herstellung einer ersten Glasschicht;
Aufbringen einer eine Glaskomponente mit einem niedrigeren Erweichungspunkt als die Glaskomponente
der ersten Schicht aufweisenden Glaspaste auf die erste Glasschicht;
Erhitzen der aufgebrachten Paste bei Temperaturen die hinreichend sind, um die Glaskomponente zu
schmelzen; und
Abkühlen und Erhärten des geschmolzenen Glases, um eine zweite Glasschicht auf der ersten Glasschicht
herzustellen, wodurch die erste Glässchicht, die zwischen der Metallplatte und der zweiten Glasschicht
ausgebildet ist, porös wird, auf.
Im weiteren wird die Erfindung anhand der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 eine schematische vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats;
und
Fig. 2 in ähnlicher Weise wie Figur eine andere Ausführungsform der
Erfindung zeigt..
EPOCOPY
Ι: &:ΒΟΚΗΜ2ΚΓ
In Figur 1 ist ein Substrat S_ gezeigt. Das zur Ausbildung von Solarzellen, Dünn- oder Dickschichtschaltkreisen
und ähnlichen auf demselben geeignete Substrat weist eine dünne Metallplatte 1 , bspw. aus Titan, rostfreien
Stahl oder ähnlichem, auf. Die Metallplatte 1 ist auf mindestens einer Seite mit einer ersten isolierenden
porösen Glasschicht 2 ausgebildet und einer zweiten, isolierenden dichten Glasschicht 3. Poren 4
in der ersten Glasschicht können voneinander getrennt sein, also als sogenannte geschlossene Zellen vorliegen
oder offenzellig sein.
Die Metallplatte 1 besitzt üblicherweise eine Dicke von zwischen 10 bis 300 um und hat bevorzugt eine
Oberflächenrauhigkeit unterhalb von 5 um. Die erste
isolierende poröse Glasschicht 2 ist mit einer Dicke von zwischen 5 bis 50 um ausgebildet und besitzt
bevorzugt eine Porosität von zwischen.100 bis 1000 ppm
pro Volumen. Die zweite isolierende Glasschicht 3 besitzt im allgemeinen eine Dicke von zwischen 5 und
50 um. Wie aus obigem ersichtlich, ist das Substrat
S, welches die Metallplatte 1 mit der ersten und zweiten Schicht 2, 3 aufweist, so dünn, daß Flexibilität sichergestellt
ist. Glaszusammensetzungen für die ersten und zweiten Glasschichten 2, 3 werden beim Verfahren zur
Herstellung des Substrats S_ beschrieben.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats beschrieben. Das Verfahren
weist das Herstellen einer dünnen Metallplatte, Aufbringen einer Glaspaste, welche eine Glaskomponente
in Pulverform und einen Harzbinder aufweist, auf mindestens einer Seite der Metallplatte, Erhitzen der
beschichteten Platte auf Temperaturen, die hinreichend sind, das Glaspulver zu schmelzen und
Abkühlen der Platte und Aushärten des geschmolzenen Glases, um eine erste isolierende Glasschicht herzustellen
, auf. Anschließend wird eine Glasplatte, welche eine Glaskomponente mit einem niedrigeren Erweichungspunkt
als dem Erweichungspunkt der Glaskomponente für die erste Schicht aufweist, auf die
erste Schicht aufgetragen, auf eine Temperatur, die zum Schmelzen der Glaskomponente hinreichend
ist, erhitzt, abgekühlt und gehärtet, um eine zweite isolierende Glasschicht einer vorherbestimmten
Dicke herzustellen. Demzufolge besitzt die zuerst hergestellte Glasschicht eine Vielzahl von Poren.
Der Zustand der Poren in der ersten Schicht ist insbesondere in den Figuren 1 und 2 dargestellt und
variiert hauptsächlich abhängig von den Herstellungsbedingungen. Wenn hohe Schmelztemperaturen eingesetzt
werden, besteht eine Neigung, kontinuierliche Zellen, wie in Figur 2 dargestellt, in der ersten
Glasschicht zu bilden. Andererseits werden dann, wenn die Schmelztemperaturen niedrig sind, beispielsweise
500° C, geschlossene Zellen, wie in Figur 1 gezeigt, hergestellt. Es wird angenommen,
daß der Grund für die Ausbildung der Poren in der ersten Glasschicht darin besteht, daß der in der
Glaspaste für die erste Schicht enthaltene Harzbinder während des Erhitzens und des Schmelzens
der Glaskomponente verbrannt wird, wobei Gase unter Bildung von Poren oder Hohlräumen in demselben hergestellt
werden. Die Porosität hängt hauptsächlich von der Menge Harzbinder und der Erhitzungstemperatur
ab. Im allgemeinen ist der Harzbindergehalt im Be-
BOEHNiEHT & ΒΟΕΗΜΕΛΤ
reich von zwischen 1 bis 10 Gew.-% der Feststoffe in der Glaspaste. Die Erhitzungstemperatur bewegt sich
zwischen 600 bis 750 und die Erhitzungszeit bewegt sich zwischen 1 bis 30 Minuten für beide Schichten.
Das zur Herstellung der ersten Schicht einsetzbare Glas kann einen Erweichungspunkt im Bereich zwischen
350 bis 800° C besitzen. Beispiele derartiger Gläser umfassen PbO-B2O3, ZnO-B2O3-SiO2-Gläser. Ein
typisches Glas besitzt eine Zusammensetzung aus PbO, B2O3 und SiO2 in den Gewichtsverhältnissen von
5:2:3. Die Harzbinder können jegliche thermoplastische Harze, wie Zellulosederivate, wie Nitrozellulose,
Ethylzellulose, Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Hydroxypropylzellulose und Mischungen derselben, sein.
Die zweite Schicht kann aus irgendeiner Glaszusammensetzung hergestellt sein, ausgenommen, daß diese Zusammensetzungen
bevorzugt einen Erweichungspunkt haben sollten, der etwa 100° C niedriger als der der
Glaszusammensetzung für die erste Schicht liegt. Typische Glaszusammensetzungen für die zweite Schicht
sind eine Mischung von PbO, B2O3 und SiO2 in Mischungsgewichtsverhältnissen
von 7:1:2.
Das nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahren erhaltene Substrat ist auf der Oberfläche der zweiten Glasschicht sehr glatt, obwohl die eingesetzte
Metallplatte eine relativ große Rauhigkeit von beispielsweise 1 μΐη besitzt. Im allgemeinen wird,
wenn ein festes Material gebogen wird, maximale Beanspruchung auf die Materialoberfläche ausgeübt.
Wenn eine eine Glasschicht tragende Metallplatte ge- "
BOFHNiE-RT .
bogen wird, wird die brüchige Glasschicht zerbrochen oder springt. Mit dem erfindungsgemäß erhaltenen
Substrat kann das Zerbrechen zu einem gewissen Ausmaß durch die Wirkung der Hohlräume oder Poren,
die in der ersten Glasschicht, die zwischen der Metallplatte und der zweiten Glasschicht vorgesehen
ist, vermieden werden. Die zweite Glasschicht besitzt eine so große Härte, daß sie weniger wahrscheinlich
Beschädigungen oder Deformationen als Kunstharzschichten erfährt.
Die Erfindung wird nun detaillierter anhand eines Beispieles beschrieben.
Eine Platte aus rostfreiem Stahl (SUS 304) mit einer
Oberflächenrauhigkeit von 1 μΐη, einer Dicke von 0,1 mm
und einer regelmäßigen quadratischen Form mit Seitenlängen von 10 cm, wurde vorgelegt. Auf einer Seite
der Stahlplatte wurde durch eine Rasterdrucktechnik eine Glaspaste in einem Muster aufgebracht, in welchem
zehn Rechtecke, von denen jedes eine Größe von 36 χ 16 mm besaß, angeordnet wurden. Diese Glaspaste hatte eine
Zusammensetzung aus einem Glaspulver mit Korngrößen unterhalb von 3 μΐη und einem Bindemittel, das zu
10 Gew.-%, berechnet auf Basis des Glaspulvers, vorhanden war. Das Glaspulver besaß eine Zusammensetzung
aus PbO, B2O3 und SiO2 in Gewichtsmischverhältnissen
von 5:2:3, das Bindemittel wurde aus Nitrozellulose und Butylcarbitol im Gewichtsverhältnis von 1:10 hergestellt.
copy
BOEHMERl: & BOEHMLHT
Die Platte aus rostfreiem Stahl wurde bei 150° C 10 Minuten in einen Trockner gelegt, anschließend
wurde die Platte in einem Ofen bei 700° C 5 Minuten derart gehalten, daß die mit# Glas beschichtete
Oberfläche waagerecht und obenliegend gehalten wurde. Demzufolge schmolz die Glaspaste
und wurde anschließend auf eine Normaltemperatur zum Aushärten abgekühlt, wodurch das Glas an der
Stahlplatte unter Erhalt einer ersten Glasschicht anhaftete.
Anschließend wurde wiederum eine Glaspaste durch ein Rasterdruckverfahren auf die Glasschicht
aufgedruckt und anschließend in einen Erhitzungsofen bei 700° C 5 Minuten zum Schmelzen des Glases
gelegt, gefolgt durch Abkühlen auf Normaltemperatur, um unter Herstellung einer zweiten Glasschicht auf
der ersten Schicht auszuhärten. Die in der Glaspaste für die zweite Schicht eingesetzte Glaszusammensetzung
war eine Mischung von PbO, B2O3 und
SiO2 in Gewichtsverhältnisseh von 7:1:2. Diese
Glaszusammensetzung besaß einen Erweichungspunkt, der um 100° C niedriger als der des Glases für die
erste Schicht lag.
Die Glasschichten besaßen eine Dicke von etwa 10 \im.
Die Stahlplatte wurde in Abschnitte, welche die Glasschichten trugen, zerschnitten, um 10 Substrate
zu erhalten.
In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, wurden
30 Substrate hergestellt, von denen 3 Substrate zufällig ausgewählt wurden, um den Zustand der Glasschichten
zu überprüfen. Daraus resultierend wurde gefunden, daß in der ersten Glasschicht -Viele Poren
hergestellt wurden. Ein berechnetes Verhältnis von Porenvolumen zur ersten Glasschicht betrug
etwa 250 ppm.
Die 30 Substrate wurden jeweils .- der Messung eines wiederholten Biegetests unterworfen, wobei
es 100 χ einen minimalen Radius plus minus 1 cm gebogen wurde, und es sich zeigte, daß kein Brechen,
wie Sprünge,in der Oberfläche der Glasschicht der entsprechenden "Substrate gefunden wurde. Nach Vervollständigung
des Biegetests wurde ein Spannungswiderstandstest durchgeführt, bei welchem 300 Volt über
die Glasschichten jedes Substrates 10 Minuten angelegt wurden, es wurden keine dielektrischen Fehler
gefunden.
Zum Vergleich wurden Substrate, welche keine porenreiche erste Schicht hatten, dem wiederholten
Biegetest unter den gleichen Bedingungen, wie · oben beschrieben, unterworfen. Es wurde gefunden,
daß in der Glasoberfläche Sprünge auftraten, wenn das Substrat lediglich einmal gebogen wurde. Nach
fünf- bis zehnmaligem Biegen der Substrate war etwa ein Drittel der Glasschichten von den Substraten abgefallen.
Die obei? hergestellten 30 Substrate wurden auf der
Glassch^chtseite mit einer 5000 Angström dicken
■ /
SPOGOPY
BOElfMERT&lSCKHMERr
' / 3A28559
Rückenelektrode aus rostfreiem Stahl , einer amorphen Siliziumschicht, die aus einer
p-Typ, einer i-Typ und einer η-Typ Siliziumschicht mit Dicken von 300 Angström, 5000 Angström und
100 Angström hergestellt war, und einer transparenten 700 Angström-Elektrode, die in dieser Reihenfolge angeordnet
wurden, ausgerüstet, wodurch Zellen-Elemente erhalten werden. Vier Elemente wurden in Reihe geschaltet,
um eine Solarzelle mit amorphem Silizium zu erhalten. Die Solarzelle besaß eine Ablösungsspannung zwischen den Ausgaben von 2,4 Volt und einen
Kurzschlußstrom von 12,6 μΑ unter einer Fluoreszenzlampe von 1501 x. Die zehn Elemente wurden dem wiederholten
Biegetest in der gleichen Weise wie die Substrate in über zehntausend Biegezyklen unterworfen,
wobei sich zeigte, daß in den obigen Charakteristika keine Veränderung gefunden wurde.
Als das obengenannte Herstellungsverfahren für
die Glasschichten unter Verwendung einer Erhitzungstemperatur im Bereich zwischen 600 bis 750° C wiederholt
wurde, wurde gefunden, daß das Verhältnis der des Porenvolumens, das in der ersten Glasschicht enthalten
war, zwischen 100 bis 1000 ppm betrug. Die entstehenden Substrate überstanden den wiederholten
Biegetest sowie eine Spannung über 100 Volt in einem anschließenden Spannungs-Durchschlagstest (breakdown
voltage test.)
copy
Claims (10)
1. Flexibles, glasbeschichtetes Substrat, gekennzeichnet durch eine dünne Metallplatte (1), eine
erste, auf mindestens einer Seite der Metallplatte (1) mit vielen Poren ausgebildete Glasschicht (2)
und eine auf der ersten Glasschicht hergestellte zweite Glasschicht (3).
2. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren geschlossene Zellen sind.
3. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren offene Zellen sind.
4. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallplatte (1) eine Dicke von zwischen 10 bis 300 μΐη, die erste Glasschicht eine Dicke von
zwischen 5 bis 50 um, und die zweite Glasschicht (3) eine Dicke von zwischen 5 bis 50 μπι besitzt.
5. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschicht ein Volumenverhältnis
von Poren zum Gesamtvolumen der ersten Schicht besitzt, das im Bereich von 100 bis 1000 ppm liegt.
epö-copv A
BOEHMERT &:ßOEi IMERT ■
6. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschicht aus einer Glaskomponente
mit einem um etwa 100° C höheren Erweichungspunkt als die Glaskomponente für die
zweite Glasschicht hergestellt ist.
7. Substrat gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskomponente für die erste Glasschicht
eine Mischung aus PbO, B2O3 und SiO2 in
Gewichtsmischverhältnissen von 5:2:3 ist, und daß die Glaskomponente für die zweite Glasschicht
eine Mischung von PbO, B2O3 und SiO2 in Gewichtsmischverhältnissen
von 7:1:2 ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines flexiblen, glasbeschichteten Substrats, welches die Schritte:
Vorlegen einer dünnen Metallplatte; Aufbringen einer eine Glaskomponente in Pulverform
und einen Harzbinder aufweisenden Glaspaste auf mindestens einer Seite der Metallplatte;
Erhitzen der behandelten Platte bei Temperaturen/
die zum Schmelzen des Glaspulvers hinreichend sind; Abkühlen der Platte und Erhärten des geschmolzenen
Glases unter Herstellung einer ersten Glasschicht; Aufbringen einer eine Glaskomponente mit einem
niedrigeren Erweichungspunkt als die Glaskomponente der ersten Schicht aufweisenden Glaspaste auf die
erste Glasschicht;
Erhitzen der aufgebrachten Paste bei Temperaturen die hinreichend sind, um die Glaskomponente zu
schmelzen; und
Abkühlen und Erhärten des geschmolzenen Glases, um eine zweite Glasschicht auf der ersten Glas-
BOEHMERTH
- 3-
schicht herzustellen, wodurch die erste Glasschicht, die zwischen der Metallplatte und der zweiten Glasschicht
ausgebildet ist, porös wird, aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspaste für die erste Glasschicht
das Harzbindemittel in einer Menge zwischen 1 bis 10 Gew.-%, berechnet auf Basis der Glaskomponente,
enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspasten für beide Schichten bei
Temperaturen von zwischen 600 bis 750° C erhitzt werden.
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