DE4413215C2 - Solarmodul mit Dünnschichtaufbau und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Solarmodul mit Dünnschichtaufbau und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Dünnschichtsolarzellen können direkt auf großflächigen Substraten erzeugt werden. Die Verwendung kostengünstiger Substrate wie beispielsweise Fensterglas, die Erzeugung in Plasmaabscheideanlagen mit hohem Flächendurchsatz, die in den Herstellungsprozeß integrierte Verschaltung und nicht zuletzt die relativ geringen Materialkosten der dünnen Halbleiter­ schicht sind die wesentlichen Vorteile von Dünnschichtsolar­ modulen gegenüber Solarmodulen mit kristallinen Solarzellen.
Der wesentliche Nachteil von Dünnschichtsolarmodulen und ins­ besondere von solchen aus amorphem Silizium liegt in dessen relativ geringem Wirkungsgrad. Zur Bereitstellung gleicher elektrischer Leistung erfordert dies gegenüber Solarmodulen mit kristallinen Solarzellen eine höhere Modulfläche und für die Aufstellung der Module eine entsprechend höhere Grundflä­ che.
Es ist bereits bekannt, aus Glas bestehende Fassadenelemente mit Dünnschichtsolarzellen zu beschichten bzw. Solarmodule auf Glassubstraten als Fassa­ denelemente zu verwenden. Neben dem photovoltaisch erzeugten Strom können die Solarmodule sowohl zur dekorativen Ausge­ staltung der Fassade dienen, als auch eine technische Wirkung entfalten. Semitransparente Solarmodule können beispielsweise als Fenster dienen, während mit entsprechenden Isolierglas ausgestattete Solarmodule zur Wärmeisolierung von Gebäuden dienen können. Ausgestaltungen für derart eingesetzte Solar­ module sind beispielsweise aus DE 39 03 521 C2 und aus EP 0 199 233 A1 bekannt.
Von Nachteil ist dabei, daß man bei Dünnschichtsolarmodulen weitgehend an die Verwendung flacher Glasscheiben als Substratmaterial gebunden ist, was deren funktionelle Ein­ satzmöglichkeit als Fassadenelement stark einschränkt.
Aus der DE 35 28 087 A1 ist ein Solarmodul mit Dünnschicht­ aufbau bekannt mit einem Aluminiumsubstrat, einer darauf an­ odisch erzeugten elektrisch isolierenden Oxidschicht, einer Rückelektrodenschicht aus Chrom, einer aktiven Halbleiter­ schicht aus a-Si mit Diodenstruktur und einer Frontelektrode aus TCO, wobei das Solarmodul in integriert serienverschalte­ ten Einzelsolarzellen strukturiert ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dünn­ schichtsolarmodul anzugeben, welches einfach und kostengün­ stig herzustellen ist und welches insbesondere zur Verwendung als Fassadenelement geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Solarmodul mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Dünnschichtsolarmoduls sind den weiteren An­ sprüchen zu entnehmen.
Das Aluminiumsubstrat kann ein herkömmliches Aluminiumfassa­ denelement sein. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß das an sich bekannte Aluminiumfassadenelement mit seinem relativ ge­ ringen Gewicht, seiner guten Verarbeitbarkeit und seiner ho­ hen mechanischen Festigkeit außerdem eine vielfältige und na­ hezu unbegrenzte Formbarkeit besitzt, die bei Dünnschichtso­ larmodulen mit Glassubstrat nicht gegeben sind. Die Einsatz­ möglichkeiten des Dünnschichtsolarmoduls mit Aluminium­ substrat als Fassadenelement sind daher vielseitiger als die entsprechenden Glasmodule. Die Formbarkeit betrifft dabei so­ wohl die Oberfläche des Solarmoduls bzw. des Fassadenele­ ments, als auch den beliebig geformten Randbereich. Dies ist insbesondere für die Befestigung des Solarmoduls bzw. des Fassadenelements von Bedeutung. Es kann flach ausgebildet sein oder auch eine "Raumstruktur" besitzen.
Das Solarmodul kann direkt auf einem an sich bekannten Fassa­ denelement erzeugt bzw. abgeschieden werden. Möglich ist es jedoch auch, das Solarmodul auf einem gegenüber dem Fassaden­ element relativ dünnen Aluminiumsubstrat, insbesondere auf einer Aluminiumfolie zu erzeugen und erst anschließend mit dem Fassadenelement zu verbinden. Dies kann die Erzeugung des Solarmoduls unabhängig von der Form des Fassadenelements er­ leichtern. Andererseits sind gute Verfahren bekannt, das Alu­ miniumsubstrat mit dem Aluminiumfassadenelement sicher zu verbinden.
Für die aktive Halbleiterschicht kann ein beliebiges, mit dem leitfähigen Oxid kombinierbares Dünn­ schichthalbleitermaterial verwendet werden. Besonders geeig­ net ist dabei amorphes Silizium a-Si:H und seine Legierungen sowie geeignete Verbindungshalbleiter mit ausreichendem Band abstand. Gut geeignet sind die Chalkopyrite vom Verbindungs­ typ I-III-VI₂, deren bekanntester Vertreter das Kupferindi­ umdiselenid (CiS) ist. Dabei können herkömmli­ che hinlänglich bekannte Verfahren zur Herstellung des Dünn­ schichtaufbaus des Solarmoduls verwendet werden.
Bei einer dünnen elektrisch isolierenden Oxidschicht wird mit den TCO-Rückelektroden eine sehr gute Haftung des Dünn­ schichtaufbaus auf dem Aluminiumsubstrat bzw. auf dessen elektrisch isolierender Oxidschicht erzielt. Möglich ist es auch, über der elektrisch isolierenden Oxidschicht zunächst eine haftvermittelnde Metallschicht und darüber eine Rücke­ lektrodenschicht aus TCO aufzubringen.
Nach der Erfindung besteht das elektrisch isolierende Oxid aus dem gleichen Material wie die TCO-Rückelektrode, jedoch in einer elektrisch isolierenden Modifikation. Durch Beeinflussung von Verfahrensparametern beim Aufbringen der Rückelektrode kann dabei zunächst ein elektrisch isolierendes Oxid abgeschieden werden, beispiels­ weise durch Erhöhung der Substrattemperatur und/oder durch Weglassen des Dotierstoffs. Da diese Parameter leicht ein­ stellbar sind, kann das Herstellen der elektrisch isolieren­ den Oxidschicht leicht in den Herstellungsprozeß für die Rückelektrode integriert werden und im selben Reaktor durch­ geführt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen vier Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 und 2 verschiedene Kombinatio­ nen von Aluminiumsubstrat, elektrisch isolie­ render Schicht und Rückelektrode des Solarmo­ duls im schematischen Querschnitt und
Fig. 3 und 4 ein Solarmodul während unterschiedlicher Verfahrensstufen im schemati­ schen Querschnitt.
1. Erzeugen einer elektrisch isolierenden Oxidschicht (siehe auch Fig. 1
Als Aluminiumsubstrat 1 wird eine Aluminiumfolie, eine Alumi­ niumplatte oder ein aus Aluminium bestehendes Fassadenelement verwendet. Ohne eine spätere mechanische Verstärkung ist eine Aluminiumschichtdicke von ca. 3 mm geeignet, um eine ausrei­ chende mechanische Festigkeit für das Dünnschichtsolarmodul bzw. für das spätere Fassadenelement zu gewährleisten. Soll das Aluminiumsubstrat erst in einem späteren Schritt mit ei­ nem aus Aluminium bestehenden Fassadenelement verbunden wer­ den, kann auch ein deutlich dünneres Aluminiumsubstrat ver­ wendet werden, beispielsweise eine Folie von 100 µm Dicke.
Das Aluminiumsubstrat 1 wird unmittelbar nach der Herstellung mit einer Oxidschicht 2 überzogen. Um elektrisch isolierend zu wirken, ist eine Dicke der Oxidschicht 2 von ca. 20 µm aus­ reichend.
2. Erzeugen einer TCO-Rückelektrode (siehe Fig. 1)
Direkt über dem mit einer elektrisch isolierenden Oxidschicht 2 versehenen Aluminiumsubstrat 1 kann nun eine Rückelektrode aus elektrisch leitfähigem Oxid (TCO) abgeschieden werden. Geeignete TCO-Materialien sind mit Aluminium, Bor und/oder Wasserstoff dotiertes Zinkoxid, Indiumzinnoxid oder fluordotiertes Zinnoxid.
Zum Aufbringen der TCO-Schicht ist ein CVD-Verfahren geeig­ net, bei dem flüchtige metallorganische Ver­ bindungen in sauerstoffhaltige Atmosphäre auf dem heißen Substrat zersetzt werden. Möglich ist es auch, die TCO- Schicht durch Sputtern von einem entsprechenden Metalltarget in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oder durch Sputtern von ei­ nem Metalloxidtarget in inerter Atmosphäre zu erzeugen. Wegen seiner guten und leicht einstellbaren morphologischen Eigen­ schaften ist dotiertes Zinkoxid bevorzugt, wobei eine Schichtdicke des Zinkoxids von 1,5 µm ausrei­ chend ist.
3. Erzeugen einer metallischen Zwischenschicht (Fig. (2)
Bei Aluminiumsubstraten 1, die eine Oxidschicht 2 von beispielsweise mehr als 10 µm Dicke aufweisen, kann eine metallische Zwischenschicht 4 unter einer aus TCO bestehenden Rückelektrode 3 zu einer verbesserten Haftung des späteren Solarmoduls auf dem Substrat beitragen. Die metallische Zwi­ schenschicht 4 soll insbesondere Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen Rückelektrode 3, Oxidschicht 2 und Aluminiumsubstrat 1 ausgleichen. Deshalb sind insbeson­ dere dünne Schichten aus entsprechend weichem Metall geeignet wie beispielsweise Silber. Wirksame Schichtdicken liegen dabei im Bereich von ca. 100 bis 1000 nm.
4. Gemeinsame Erzeugung von Oxidschicht und Rückelektrode (siehe Fig. 1)
Eine elektrisch isolierende Oxidschicht 2 kann gemeinsam mit der aus TCO bestehenden Rückelektrode 3 durch entsprechende Modifikation der Abscheidebedingungen für das TCO-Material erzeugt werden. Direkt über dem Aluminiumsubstrat 1, welches gegebenenfalls mit einer dünnen nativen Aluminiumoxidschicht versehen ist, wird zunächst eine dünne Zinkoxidschicht 2 in einer nicht leitenden Modifikation abgeschieden. Vorzugsweise wird dafür ein CVD-Verfahren gewählt, bei dem die für die elektrische Isolierung erforderliche hohe Sauerstoffsättigung des Zinkoxids in einfacher Weise durch eine höhere Substrat­ temperatur T1 während des CVD-Prozesses in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erreicht werden kann. Die höhere Substrattempera­ tur kann selbst dann zur Erzeugung einer isolierenden Oxid­ schicht (2) ausreichend sein, wenn die CVD-Atmosphäre bereits die Zusätze enthält, die üblicherweise eine die elektrische Leitfähigkeit erhöhende Dotierung im Zinkoxid erzeugen. Vor­ zugsweise wird dieser dotierende Zusatz jedoch erst nach dem Erzeugen der elektrisch isolierenden Zinkoxidschicht 2 zur CVD-Atmosphäre hinzugemischt.
Wenn die elektrisch isolierende Zinkoxidschicht 2 in einer ausreichenden Dicke von beispielsweise 500 nm entstanden ist, wird die Substrattemperatur auf einen Wert T2 abgesenkt, und auch die übrigen Abscheidebedingungen auf die üblichen opti­ malen Werte eingestellt. Wird als einziger Parameter die Substrattemperatur verändert, so kann die zum Erzeugen einer Rückelektrode 3 geeignete Abscheidetemperatur T2 um bei­ spielsweise 50° unter der zur Erzeugung der elektrisch iso­ lierenden Zinkoxidschicht 2 liegenden Substrattemperatur T1 liegen.
5. Strukturierung der Rückelektrode (siehe auch Fig. (3)
Zur Erzielung einer höheren Modulspannung ist es erforder­ lich, die auf dem großflächigen Substrat zu erzeugende Dünn­ schichtsolarzelle in eine Reihe von Einzelsolarzellen zu un­ terteilen und diese direkt während des Herstellungsverfahrens integriert in Serie zu schalten. Dazu wird in einem ersten Schritt bereits die Rückelektrode 3 in eine Vielzahl gleichartiger elektrisch voneinander getrennter Elektroden­ flächen aufgeteilt. In der einfachsten Ausführung wird die großflächige Rückelektrode durch streifenförmige Strukturie­ rung in die entsprechenden voneinander getrennten Elektroden­ flächen aufgeteilt. Dazu ist es erforderlich, die aus TCO 3 und gegebenenfalls einer metallischen Zwischen­ schicht 4 bestehende Rückelektrode durch Erzeugung von Gräben 11 elektrisch voneinander zu trennen. Dazu muß die gesamte Rückelektrode im Bereich der Gräben 11 vollständig entfernt werden, wobei der Graben 11 entweder die Oberfläche der Oxid­ schicht 2 freilegt oder teilweise noch in diese hineinreicht, wie es etwa in der Fig. 3 dargestellt ist. Keinesfalls darf der Graben 11 jedoch so tief sein, daß darin das Aluminium­ substrat 1 freigelegt wird.
In einfacher Weise gelingt die Erzeugung der Gräben 11 durch einen Materialabtrag mittels eines Lasers, bei dem die ge­ wünschte Tiefe des zu erzeugenden Grabens über die Laserlei­ stung eingestellt werden kann. Möglich ist es jedoch auch, die Gräben mechanisch durch Fräsen, Sägen, Kratzen oder ähn­ liche Schritte zu erzeugen. Die gewünschte Tiefe der Gräben 11 wird dabei durch ausreichende mechanische Präzision er­ zeugt.
Fig. 4: Zur Fertigstellung des erfindungsgemäßen Solarmoduls wird nun über der in einzelne Elektrodenflächen 6 aufgeteil­ ten Rückelektrode zunächst eine aktive Halbleiterschicht 7 mit einer Diodenstruktur erzeugt. Dafür können die entsprechenden bekannten Verfahren verwendet werden. Eine aktive Halb­ leiterschicht 7 aus amorphem Silizium a-Si:H wird beispiels­ weise mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens (PECVD) abgeschieden. Dies kann in einem sogenannten Einkam­ merreaktor erfolgen oder im Durchlaufverfahren durch mehrere hintereinander geschaltete Kammern, wobei in jeder Kammer ei­ ne andere Diodenschicht erzeugt wird. Möglich ist es auch, die Diodenstruktur durch Abscheidung in mehreren voneinander getrennten Verfahren, im sogenannten Inline-Verfahren zu er­ zeugen.
Aufgrund des nicht transparenten Aluminiumsubstrats 1 wird für die aus amorphem Silizium bestehende aktive Halbleiter­ schicht 7 eine Schichtreihenfolge n-i-p gewählt. Um im Ein­ kammerreaktor eine Verschleppung des n-Dotiergases Phosphin zu vermeiden, wird während einer rampenartigen Reduzierung der HF-Leistung auch eine rampenartige Gasspülung mit Wasser­ stoff durchgeführt. Ziel ist es dabei, zu zersetzendes Silan und Phosphin während der Rampe nahezu vollständig abzuschei­ den, ohne das Plasma ausbrennen zu lassen. Ist die Reaktor­ atmosphäre weitgehend an abzuscheidenden Gasen verarmt, wird die HF-Leistung wieder auf den ursprünglichen Wert gesteigert und dabei gleichzeitig reines Silan zur Erzeugung der i- Schicht in den Reaktor eingelassen.
Nach der Fertigstellung der aktiven Halbleiterschicht 7 in n- i-p-Diodenstruktur folgen als weitere an sich bekannte Ver­ fahrensschritte die Strukturierung der aktiven Halbleiter­ schicht 7, Abscheiden der Frontelektrode 8 und Strukturierung derselben. Die Strukturierungsschritte können ähnlich wie die Strukturierung der Rückelektrode 6 erfolgen. Die aktive Halb­ leiterschicht 7 wird vorzugsweise mit einem Laser struktu­ riert, während die aus einer TCO-Schicht bestehende Front­ elektrode 8 alternativ durch eine Lift-off-Technik struktu­ riert werden kann.
Alternativ kann auf eine Strukturierung der aktiven Halblei­ terschicht 7 verzichtet werden, wenn die zur Verschaltung er­ forderlichen niederohmigen Bereiche 10 (siehe Fig. 4) auf andere Weise erzeugt werden. Dies kann durch Phasenumwandlung der aktiven Halbleiterschicht durch Ener­ gieeinkopplung über einen Laser erfolgen.
Als aktive Halbleiterschicht 7 kann auch eine Chalkopyrit- Schicht über der Rückelektrode 6 abgeschieden werden. Dazu werden zunächst metallische, Kupfer und Indium enthaltende Schichten mittels eines Dünnschichtverfahrens abgeschieden und anschließend in einer reaktiven selen­ haltigen Atmosphäre zu Kupferindiumdiselenid umgesetzt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise der internationalen An­ meldung WO/DE 93/00814 zu entnehmen. Durch Abscheidung einer dünnen Fensterschicht aus Kadmiumsulfid wird die Diodenstruk­ tur vervollständigt. Die Strukturierung der aktiven Halblei­ terschicht 7 aus Chalkopyrit kann in gleicher Weise wie beim a-Si:H erfolgen. Auch für die Frontelektrode wird wieder ein TCO-Material ausgewählt, insbesondere ein dotiertes Zinkoxid.
Sofern als Aluminiumsubstrat 1 ein aus Aluminium bestehendes Fassadenelement oder eine ausreichend dicke Aluminiumplatte verwendet wurden, kann nun direkt eine Versiegelung des So­ larmoduls gegen Umwelteinflüsse erfolgen. Dies kann mit einem Schutzlack oder durch Auflaminieren einer Schutzfolie erfol­ gen.
Wurde für das Dünnschichtsolarmodul ein ausreichend dünnes und insbesondere flexibles Aluminiumsubstrat 1 gewählt, so kann dieses vor der Versiegelung zu einem Aluminiumfassaden­ element integriert werden. Dazu wird das beschichtete Alumi­ niumsubstrat 1 mit einem Kunststoffmaterial und einer dünnen Metallplatte so verbunden, daß daraus ein photovoltaisch ak­ tives Fassadenelement entsteht.

Claims (9)

1. Solarmodul mit Dünnschichtaufbau, umfassend
  • - ein Aluminiumsubstrat (1)
  • - eine elektrisch isolierende Oxidschicht (2)
  • - eine Rückelektrodenschicht (3, 6) aus einem transparenten leitfähigen Oxid,
  • - eine aktive Halbleiterschicht (7) mit Diodenstruktur und
  • - eine Frontelektrode (8) aus einem transparenten leitfähigen Oxid,
bei dem die elektrisch isolierende Oxidschicht (2) aus dem gleichen Oxid wie die Rückelektrode (3) besteht, im Unter­ schied zu dieser aber in einer elektrisch isolierenden Modi­ fikation ausgebildet ist und
wobei das Solarmodul in integriert serienverschaltete Einzel­ solarzellen strukturiert ist und als Fassadenelement ausge­ bildet ist.
2. Solarmodul nach Anspruch 1,
bei dem die Rückelektrode (3) aus dotiertem Zinkoxid ausge­ bildet ist.
3. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die aktive Halbleiterschicht (7) aus amorphem Silizi­ um a-Si:H ausgebildet ist und eine nip-Diodenstruktur auf­ weist.
4. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aktive Halbleiterschicht (7) aus einem Verbin­ dungshalbleitermaterial des Typs I-III-VI₂ (Chalkopyrit) aus­ gebildet ist.
5. Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls nach Anspruch 1, bei dem das Erzeugen elektrisch voneinander getrennter Elek­ trodenflächen (6) auf dem Substrat (1) die Schritte umfaßt:
  • - ganzflächiges Abscheiden einer ersten, elektrisch isolie­ renden Zinkoxidschicht (2) direkt auf dem Substrat (1) bei einer ersten Abscheidetemperatur (T1)
  • - ganzflächiges Abscheiden einer zweiten, elektrisch leitfä­ hig dotierten Zinkoxidschicht (3) über der ersten, elek­ trisch isolierenden Zinkoxidschicht (2) bei einer zweiten Substrattemperatur (T2) und
  • - Strukturieren der zweiten Zinkoxidschicht (3) in elektrisch voneinander getrennte Bereiche (6) durch Erzeugen von Trenngräben (11), welche bis auf oder in die erste Zinkoxi­ dschicht (2) reichen,
wobei T1 = T2 + δT und 15° < δT < 60°.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem erste Zinkoxidschicht (2) und zweite Zinkoxidschicht (3) mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden werden und bei dem die zweite Zinkoxidschicht (3) mit Aluminium oder Bor do­ tiert abgeschieden wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Strukturierung der zweiten Zinkoxidschicht (3) mit Hilfe eines Lasers vorgenommen wird.
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