DE3604917A1 - Verfahren zur herstellung eines integrierten verbandes in reihe geschalteter duennschicht-solarzellen - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines integrierten verbandes in reihe geschalteter duennschicht-solarzellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Verbandes in Reihe geschalteter Dünnschicht-Solarzellen, welche jeweils auf einem Sub­ strat eine Schichtenfolge aus einer ersten Elektroden­ schicht, einer aus Unterschichten aufgebauten, photo­ empfindlichen Schicht sowie einer zweiten Elektroden­ schicht aufweisen, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 28 39 038 bekannt. Dort handelt es sich um die Herstellung einer Reihenschaltungsanordnung von Sperr­ schicht-Photozellen, wobei auf einem aus Glas bestehen­ den Substrat zunächst eine erste Elektrodenschicht, aus Zinnoxid bestehend, und anschließend eine photoempfind­ liche Schicht, aus einer Kadmiumsulfid- sowie einer Kupfer (I) sulfidschicht bestehend, aufgebracht werden. Zum Zwecke der Separierung einzelner Solarzellen sowie zur Vorbereitung der elektrischen Reihenverschaltung derselben werden dann vorbestimmte Schichtbereiche der photoempfindlichen Schicht sowie der darunterliegenden ersten Elektrodenschicht entfernt. Dies geschieht im ersteren Falle durch Stechen oder Fräsen sowie im zweiten Falle durch Elektroerosion, Laserbestrahlung, Maskierungs- oder Ätzverfahren. Die entfernten Schicht­ bereiche der photoempfindlichen Schicht sind wesentlich breiter als die aus der darunterliegenden Elektroden­ schicht zu entfernenden Bereiche, wobei letztere nicht in der Mitte der Schichtlücken der photoempfindlichen Schicht liegt, sondern zu einem Rand hin verschoben. ln einem nächsten Verfahrensschritt werden jeweils zu beiden Seiten der in der photoempfindlichen Schicht vorhandenen Schichtlücken Isoliermassen aufgetragen, wobei die einen dieser beiden Isoliermassen in die relativ schmalen Schichtlücken der Elektrodenschicht hineinreichen. Zwischen beiden Isoliermassen wird dann auf der freiliegenden Oberfläche der Elektrodenschicht ein Klebemittel aufgebracht, und anschließend wird über die gesamte Oberfläche der so entstandenen Struktur eine zweite, aus Kupfer bestehende Elektrodenschicht aufgedampft. Schließlich werden durch Anwendung von Ultraschall im Bereich der einen Isoliermassen, welche nicht in die Lücken der ersten Elektrodenschicht hineinreichen, diese Isoliermassen mit der darüber­ liegenden Kupferschicht abgesprengt, so daß nunmehr eine Struktur entsteht, in welcher durch die ver­ bleibende Kupferschicht jeweils die erste Elektroden­ schicht einer Solarzelle mit der Oberseite der photo­ empfindlichen Schicht der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden ist.
Insgesamt ist dieses bekannte Herstellungsverfahren relativ aufwendig. Die erforderlichen großflächigen Abscheideprozesse müssen nach dem Aufbringen der zweiten, nämlich der photoempfindlichen Schicht, unter­ brochen werden, um zunächst nur die bereits aufgebrach­ ten Schichten zu strukturieren sowie in die dadurch entstehenden Schichtlücken jeweils ein Klebemittel und zwei Isoliermassen einzubringen, welche auch noch aus verschiedenen Materialien zu wählen sind, da nur eine der Massen bei der späteren Anwendung von Ultraschall ansprechen soll. Erst hiernach wird die dritte Schicht, nämlich die zweite Elektrodenschicht großflächig auf­ gebracht, die nun aber auch die eigentlich überflüssige eine Isoliermasse bedeckt, welche daher durch Anwendung von Ultraschall zusammen mit dem darüberliegenden Bereich der zweiten Elektrodenschicht abgesprengt werden muß. Erst hierdurch erfolgt die Strukturierung der zweiten Elektrodenschicht. Ein derartiges Her­ stellungsverfahren erscheint hinsichtlich des insgesamt zu treibenden Verfahrensaufwandes noch verbesserungs­ bedürftig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches insgesamt verfahrenstechnisch möglichst wenig aufwendig und daher möglichst wirtschaftlich durch­ führbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zweite Elektrodenschicht nach dem Abscheiden der photoempfindlichen Schicht ebenfalls großflächig auf letzterer abgeschieden und erst anschließend die erforderliche Strukturierung der drei Schichten vor­ genommen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der besondere Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfin­ dung liegt darin, daß zunächst alle drei Schichten, nämlich die beiden Elektrodenschichten sowie die da­ zwischenliegende photoempfindliche Schicht, direkt nacheinander großflächig aufgebracht werden können. Da diese Schichtabscheidungen oftmals im Vakuum statt­ finden, braucht der Vakuumprozeß nicht unterbrochen zu werden. Die Strukturierung aller drei Schichten kann anschließend ebenfalls direkt nacheinander erfolgen, wobei insbesondere das aufwendige und eigentlich über­ flüssige Aufbringen einer später wieder abzusprengenden Isoliermasse entfällt, da die zweite Elektrodenschicht nunmehr als erste strukturiert wird, während dies beim bekannten Verfahren erst ganz zuletzt durch Absprengen der entsprechenden Isoliermasse geschieht. Hieraus folgt unmittelbar, daß für jede einzelne Solarzelle auch nur eine Isoliermasse an deren Rand aufzubringen ist, welche wie die entsprechende bei dem bekannten Verfahren in die durch die Strukturierung entstandene Lücke der ersten Elektrodenschicht hineinreicht.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Die Fig. 1 bis 5 verdeutlichen den Herstellungsprozeß anhand von fünf Schichtstrukturen, welche sich im Laufe des Her­ stellungsprozesses als Zwischenstufe bzw. Endprodukt ergeben.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Her­ stellung eines integrierten Dünnschicht-Solarzellen­ verbandes in Reihenschaltung, bei welchem die photo­ empfindliche Schicht 4 aus amorphem Silizium, die erste Elektrodenschicht 3 aus einem transparenten, leitenden Oxid, beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO), und die zweite Elektrodenschicht 5 aus einer dünnen Metall­ schicht, beispielsweise aus Aluminium, Wickel, Silber, Gold oder Titan, aus Einzelelementen oder Mischungen, etwa Aluminium und Silizium, besteht. Die erste Elektrodenschicht 3 ist auf einem Glassubstrat 2 auf­ gebracht. Die Fig. 1 zeigt als Teilquerschnitt eine Zwischenstufe im Herstellungsverfahren nach der groß­ flächigen, unmittelbar nacheinander erfolgenden Ab­ scheidung der drei Schichten 3, 4 und 5 im Vakuum. Selbstverständlich ist die photoempfindliche Schicht, hier aus amorphem Silizium bestehend, zum Zwecke der Erzeugung unter Lichteinfall sowie Trennung der dabei erzeugten Ladungsträger auf übliche Weise aus Unter­ schichten aufgebaut, beispielsweise gemäß einer pin- oder auch nur einer pn-Struktur. Diese Unterschichten können nacheinander beispielsweise durch bekannte Glimmentladungsverfahren aus einer silanhaltigen Atmo­ sphäre abgeschieden werden. Auch zur Abscheidung der aus einem transparenten leitenden Oxid bestehenden ersten Elektrodenschicht 3 sowie der aus einer dünnen Metallschicht bestehenden zweiten Elektrodenschicht 5 können bekannte Vakuumabscheidungsverfahren genutzt werden. beispielsweise Vakuumaufdampfen oder Sputtern.
Als nächste Verfahrensschritte werden zum Zwecke der Strukturierung der zweiten Elektrodenschicht 5 sowie der darunterliegenden photoempfindlichen Schicht 4 vor­ bestimmte Bereiche 6 bzw. 7 entfernt. Dies kann zweck­ mäßig durch Ätzen, beispielsweise unter Anwendung von Siebdruckverfahren, erfolgen. Hierbei ist vorteil­ hafterweise darauf zu achten, daß der zu entfernende Schichtbereich 6 der zweiten Elektrodenschicht 5 etwas breiter ist als derjenige (7) der darunterliegenden photoempfindlichen, amorphen Siliziumschicht 4, so daß die Ränder 8 der verbleibenden Bereiche der photo­ empfindlichen Schicht 4 über die Ränder 9 der ver­ bleibenden Bereiche der zweiten Elektrodenschicht 5 etwas hinausragen. Hierdurch kann vermieden werden, daß durch nicht immer zu vermeidende Unsauberkeiten Material von den Rändern der zweiten Elektrodenschicht 5 in unkontrollierbarer Weise an Randbereichen der photoempfindlichen Schicht 4 bis zur ersten Elektroden­ schicht 3 herabreicht, wodurch die entsprechende Solar­ zelle praktisch kurzgeschlossen wäre. Als weitere prak­ tisch anwendbare Verfahren zur nacheinander erfolgenden Strukturierung der beiden oberen Schichten kommen für das Aufbringen des Ätzmittels Tampondruckverfahren oder das Aufsprühen mittels Wadeldosiersystemen infrage. Auch kann durch entsprechende Auswahl des Ätzmediums erreicht werden, daß mit nur einem einzigen Ätzmittel die Bereiche 6, 7 abgetragen werden können. Es muß dabei nur gewährleistet sein, daß die zweite Elektroden­ schicht 5 etwas stärker angeätzt wird als die photo­ empfindliche Schicht 4, damit Ränder 8 entstehen, die über die Ränder 9 der verbleibenden Bereiche der zweiten Elektrodenschicht 5 etwas hinausragen. Ein weiteres praktisch anwendbares Verfahren zur Struktu­ rierung der photoempfindlichen Schicht 4 ist das Abtragen mittels einer Ultraschallsonde.
Gemäß Fig. 3 werden in einem anschließenden Verfahrens­ schritt die relativ schmalen vorbestimmten Schicht­ bereiche 10 aus der ersten Elektrodenschicht 3 ent­ fernt, vorzugsweise durch Laserbestrahlung oder Elektroerosion. Hierdurch ist es möglich, einen besonders schmalen Schichtbereich einwandfrei zu ent­ fernen. Über der hierdurch entstehenden Schichtlücke wird nun gemäß Fig. 4 eine vorzugsweise zunächst zäh­ flüssige Isoliermasse aufgebracht, welche die Rand­ bereiche 9 und 8 der zweiten Elektrodenschicht 5 sowie der photoempfindlichen Schicht 4 abdeckt sowie in die Schichtlücke der ersten Elektrodenschicht 3 hinein­ reicht. Die Isoliermasse 11 kann mit Hilfe von Sieb­ druckverfahren o.ä. aufgebracht werden.
Schließlich wird in einem letzten Verfahrensschritt gemäß Fig. 5 über dem Isoliermittel 11 eine elektrisch leitfähige Paste 12, z.B. Silberleitpaste, welche nach dem Aufbringen erstarrt, aufgebracht, welche dann den Randbereich 13 jeweils einer Solarzelle 14 mit der freigelegten ersten Elektrodenschicht 16 der benach­ barten Solarzelle 15 verbindet. Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Paste 12 kann beispielsweise unter Anwendung von Siebdruckverfahren erfolgen, auch kann von Tampondruckverfahren und Wadeldosiersystemen Gebrauch gemacht werden.
Insgesamt stellt die hier durch ein Ausführungsbeispiel konkretisierte Verfahrensweise gemäß der Erfindung ein einfach strukturiertes und ökonomisches Herstellungs­ verfahren dar. Insbesondere die Möglichkeit der suk­ zessiven Aufbringung dreier großflächiger Schichten in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß stellt sich als Fortschritt dar. Aber auch die dadurch bedingte Abfolge der weiteren Verfahrensschritte führt ersichtlich auf einfache Weise und ohne überflüssige Umwege zu dem angestrebten Ergebnis. Die Verfahrensweise ist nicht nur auf die Herstellung solcher Solarzellenverbände beschränkt, bei welchen die photoempfindlichen Schich­ ten aus amorphem Silizium bestehen. Vielmehr kann sie auch bei anderen Dünnschichtstrukturen an sich bekann­ ter Art, beispielsweise TFTs (thin film transistors) oder großflächige Photosensoren verwendet werden. Der zu erzielende Vorteil ist immer dann besonders aus­ geprägt, wenn die drei großflächigen Schichten nach dem Stand der Technik jeweils im Vakuumverfahren abgeschie­ den werden, welche nunmehr durch einen einzigen un­ unterbrochenen Vakuumprozeß zusammengefaßt werden können.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Verbandes in Reihe geschalteter Dünnschicht-Solar­ zellen, welche jeweils auf einem Substrat eine Schichtenfolge aus einer ersten Elektrodenschicht, einer aus Unterschichten aufgebauten, photoempfind­ lichen Schicht sowie einer zweiten Elektrodenschicht aufweisen, wobei zunächst auf dem Substrat die erste Elektrodenschicht sowie die photoempfindliche Schicht nacheinander großflächig abgeschieden und die abge­ schiedenen Schichten unter nacheinander erfolgender Entfernung jeweils vorbestimmter Schichtbereiche zum Zwecke der Separierung und Verschaltung der einzelnen Solarzellen strukturiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektro­ denschicht (5) nach dem Abscheiden der photoempfind­ lichen Schicht (4) ebenfalls großflächig auf letzterer abgeschieden und erst anschließend die erforderliche Strukturierung (6, 7, 10) der drei Schichten (5, 4, 3) vor­ genommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Strukturieren zunächst die vorbestimmten Schichtbereiche (6) der zweiten Elektrodenschicht (5) und diejenigen (7) der photoempfindlichen Schicht (4) entfernt werden, wobei die Ränder (8) der verbleibenden Bereiche der photo­ empfindlichen Schicht (4) über die Ränder (9) der ver­ bleibenden Bereiche der zweiten Elektrodenschicht (5) hinausragen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen der vorbestimmten Schichtbereiche (6, 7) der zweiten Elektrodenschicht (5) sowie der photoempfind­ lichen Schicht (4) zunächst die vorbestimmten Schicht­ bereiche (10) der ersten Elektrodenschicht (3) ent­ fernt, sodann die Ränder (9, 8) der zweiten Elektroden­ schicht (5) und der photoempfindlichen Schicht (4) ab­ deckende und in die den entfernten vorbestimmten Schichtbereichen (10) der ersten Elektrodenschicht entsprechenden Schichtlücken hineinreichende Isolier­ massen (11) aufgebracht und schließlich über den Isoliermassen (11) Leitpasten (12) aufgetragen werden, welche jeweils den Randbereich (13) der zweiten Elektrodenschicht (5) einer Solarzelle (14) mit der freigelegten ersten Elektrodenschicht (16) der benach­ barten Solarzelle (15) elektrisch leitend verbinden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Schichtbereiche (6, 7) der zweiten Elektrodenschicht (5) und der photoempfindlichen Schicht (4) durch Ätzen entfernt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermassen (11) und die Leitpasten (12) mittels Siebdruckverfahren aufgebracht werden.
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