DE68909734T2 - Herstellungsverfahren eines biegesteifen Dünnschicht-Sonnenzellen-Bandes. - Google Patents

Herstellungsverfahren eines biegesteifen Dünnschicht-Sonnenzellen-Bandes.

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DE68909734T2 DE89308543T DE68909734T DE68909734T2 DE 68909734 T2 DE68909734 T2 DE 68909734T2 DE 89308543 T DE89308543 T DE 89308543T DE 68909734 T DE68909734 T DE 68909734T DE 68909734 T2 DE68909734 T2 DE 68909734T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die stellung integrierter Schaltungen. Insbesondere handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung flexibler integrierter Dünnschichtschaltungen zur Vermeidung von Spannungen, die auf die Halbleitermaterialschicht wirken, wenn die Schaltung gebogen wird.
  • Integrierte Schaltungen sind hinreichend bekannt und lassen sich durch jedes einer Anzahl bekannter Verfahren herstellen. So können z.B. Dünnfilm-Sonnenzellen kostengünstig hergestellt werden, indem mittels Glimmentladungs- und Aufwalzverfahrenstechniken Halbleitermaterialschichten auf flexiblen Substraten aufgebracht werden. Durchlaufwalzverfahren auf flexiblen Substraten aus Aluminium, nichtrostendem Stahl, Tantal, Molybdän, Chrom, polyimidbeschichtetem nichtrostendem Stahl und Polyimid sind bekannt. Da auf diesen Substraten aufgebaute Sonnenzellen flexibel sind, können sie auf nichtplanaren Objekten angebracht werden. In einer Ausführungsform, die beschrieben ist in der US-Patentanmeldung Nr. 07/165,488 mit dem Titel "Light-Rechargeable Battery" (Durch Licht wiederaufladbare Batterie), eingereicht am 8. März 1988 und demselben Patentinhaber über tragen wie die vorliegende Anmeldung, sind flexible Sonnenzellen auf der zylindrischen Oberfläche einer Batterie angebracht, so daß die Batterie wiederaufgeladen wird, wenn sie dem Umgebungslicht ausgesetzt ist.
  • Dünnfilm-Sonnenzellen werden beim Aufwickeln nach der Herstellung oder beim Anbringen auf nichtplanaren Gegenständen gebogen und geknickt. Eine Seite der gebogenen Sonnenzelle wird dabei Druckkräften unterworfen, während die gegenüberliegende Seite gedehnt wird und Zugspannung unterliegt. Wenn sich die Halbleiterzone oder -schicht, die das Sonnenzellen-Sperrschichtphotoelement bildet, an einer Stelle befindet, an der entweder Zug- oder Druckspannungen herrschen, können ihre elektrischen und physikalischen Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden. Es ist bekannt, daß Bondierungsabstände im Halbleitermaterial durch diese Kräfte verändert und unterbrochen werden. Das Ergebnis ist ein verringerter Sonnenzellen-Wirkungsgrad.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen des Typs mit einem flexiblen Substrat, einer Halbleitermaterialschicht auf dem Substrat und einer Kapselungsschicht über dem Halbleitermaterial dar. Die Verbesserung ist gekennzeichnet durch die Wahl der Dicke des flexiblen Substrats und/oder der Kapselungsschicht in Abhängigkeit von den Elastizitätsmoduln des Substrats und der Kapselungsschicht, so daß die neutrale Ebene (neutrale Zug-/Spannungsebene) der integrierten Schaltung in der Nähe der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt. Damit werden Spannungen vermieden, die zu Beschädigung der Halbleitermaterialschicht führen, wenn die integrierte Schaltung gebogen wird.
  • Fig. 1 ist eine Darstellung eines Streifens des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten sonnenzellenbandes.
  • Fig. 2 ist eine Darstellung einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Sonnenzelle.
  • Die Fig. 1 zeigt allgemein eine integrierte Schaltung, wie zum Beispiel einen Streifen eines Sonnenzellbandes 10, das gemaß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das Sonnenzellband 10 enthält ein Dünnfilm-Sperrschichtphotoelement 5, das auf einem flexiblen Substrat 3 aufgebracht ist. Eine obere oder aktive Oberfläche des Sperrschichtelements 5, die dem Substat 3 gegenüberliegende Oberfläche, ist durch eine optisch durchsichtige Lasur 1 gekapselt.
  • Eine Klebstoffschicht 2 kann zum Verkleben der Lasur 1 mit dem Sperrschichtelement 5 verwendet werden. Eine Klebstoffschicht 4 wird auf die Unterseite des Substrats 3 gegenüber dem Sperrschichtelement 5 aufgebracht. Damit kann das Sonnenzellenband 10 auf einer Vielzahl von Objekten haftend befestigt werden. während der Herstellung wird die Dicke der Lasur 1, der Klebstoffschichten 2 und 4 und des Substrats 3 in Abhängigkeit von ihren Biege- oder Elastizitätsmoduln gewählt, so daß die neutrale Ebene des Sonnenzellenbandes 10 in der Ebene zu liegen kommt, in der sich das Sperrschichtelement 5 befindet. Spätere Biegung des Sonnenzellenbandes 10, wie beispielsweise beim Aufwickeln nach der Herstellung oder beim Anbringen auf einem nichtplanaren Gegenstand resultiert deshalb in minimalen auf das Sperrschichtelement 5 wirkenden Spannungen und verhindert nachteilige, biegebedingte physikalische und elektrische Einflüsse.
  • Bekannte Herstellungsverfahren, einschließlich chemischer Aufdampfung im Zuge der Aufwalzverarbeitung können zum Aufbringen des Sperrschichtelements 5 auf dem Substrat 3 herangezogen werden. Bei dem Substrat 3 kann es sich um ein beliebiges flexibles Substrat handeln, das die für die vorgesehene Anwendung geeigneten elektrischen und physikalischen Eigenschaften aufweist. Leitende Substrate wie dünner, nichtrostender Stahl und isolierende Substrate wie Polyimid werden allgemein verwendet. Bei einer Ausführungsform ist das Sperrschichtelement 5 ein auf einem Polymidsubstrat 3 aufgebrachtes amorphes Siliciumelement. Als transparente Lasur 1 kann eine beliebige aus einer breiten Vielzahl bekannter polymerer Sonnenzellen-Kapselungssubstanzen vorgesehen sein, wie z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Poly(methyl)methacrylat (PMMA), Ethylvinylacetat oder Butylacrylat. Die Lasur 1 kann mit dem Sperrschichtelement 5 unter Verwendung jedes bekannten Klebers 2 mit geeigneten optischen und elektrischen Eigenschaften verklebt werden. In einer Ausführungsform ist eine PMMA-Schicht mit modifizierter Schlagfestigkeit der Lasur 1 mit dem Sperrschichtelement 5 unter Verwendung einer Klebstoffschicht 2 auf Silikon- oder Acrylbasis verklebt. In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann die transparente Lasur 1 auf das Sperrschichtelement 5 direkt aufgetragen oder damit heißverklebt werden, ohne daß eine Klebstoffschicht 2 erforderlich ist. Als Kleber 4 kann jeder bekannte Kleber, beispielsweise ein Haftkleber (PSA), mit geeigneten Eigenschaften verwendet werden.
  • Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, sind die transparente Lasur 1, die Klebstoffschicht 2, das Substrat 3 und die Klebstoffschicht 4 durch einen Elastizitäts- oder Biegemodul E&sub1;, E&sub2;, E&sub3; und E&sub4; sowie eine Dicke t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; bzw. t&sub4; gekennzeichnet. Die Elastizitätsmoduln, die auch als Youngsche Moduln bekannt sind, sind das Maß der Steifigkeit von Werkstoffen. Die Elastizitätsmoduls E&sub1;-E&sub4; (d.h. E&sub1;, E&sub2;, E&sub3; und/oder E&sub4;) kennzeichnen das Verhältnis zwischen Spannung und entsprechender Dehnung, wenn sich das zugehörige Material elastisch verhält. Typische oder charakteristische Elastizitätsmoduln E für verschiedene Werkstoffe sind nachfolgend aufgelistet:
  • NICHTROSTENDER STAHL: 30 x 10&sup6; psi
  • POLYMERE : 1 x 10³ - 1 x 10&sup6; psi
  • POLYIMID : 3 x 10&sup5; psi
  • LASUR : 1 x 10³ - 1 x 10&sup5; psi
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch Wahl der Dicken t&sub1;-t&sub4; (d.h. t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; und/oder t&sub4;) der zugehörigen Materialschichten von ihren jeweiligen Elastizitätsmoduln E&sub1;-E&sub4;, das Sonnenzellband 10 so hergestellt werden kann, daß seine neutrale (Zug/Spannung) Ebene oder sein Moment an der Schicht des Sperrschichtelements 5 zu liegen kommt. Spätere Biegung des sonnenzellenbandes 10 führt dann innerhalb des Sperrschichtelements 5 nicht zu Zug oder Dehnung, selbst wenn die Materialschichten 1-4 auf gegenüberliegenden Seiten des Sperrschichtelements 5 Zug- und Druckkräften unterworfen sind. Die elektrischen und physikalischen Eigenschaften des Sperrschichtelements 5 bleiben deshalb unbeeinträchtigt, wenn das Sonnenzellenband 10 gebogen, aufgewickelt oder auf einem nichtplanaren Objekt angebracht wird. Obwohl optimale Wirkungen erzielt werden, wenn die neutrale Ebene in der Ebene des Sperrschichtelements 5 liegt, lassen sich selbst dann deutliche Vorteile erreichen, wenn die neutrale Ebene nur in der Nähe des Sperrschichtelements 5 angeordnet ist. Allgemein ergeben sich erhebliche Vorteile, wenn die neutrale Ebene in der Nähe der Ebene von Element 5 bis innerhalb einer Distanz von zwanzig Prozent der Gesamtdicke des Sonnenzellenbandes 10 (d.h. der Summe der Dicken t&sub1;-t&sub4;) angeordnet ist.
  • Die neutrale Ebene eines mehrlagigen Gegenstandes wie des sonnenzellenbandes 10 wird anhand des Momentenprinzips nach Gleichung 1 angeordnet.
  • wobei: = Lage der neutralen Ebene;
  • Ei = Elastizitätsmodul der Schicht i;
  • ti = Dicke der Schicht i;
  • yi = Abstand des Zentrums der Schicht i von einem Bezugspunkt; und
  • Σ bezeichnet die Summe über die i Schichten.
  • Unter verwendung von Gleichung 1 wird die neutrale Ebene des Sonnenzellbandes 10 bezogen auf das Sperrschichtelement 5 (d.h. = 0 = Zentrum von Element 5) durch Gleichung 2 beschrieben.
  • Die Gleichung 2 basiert auf der Annahme, daß die Dicke des Sperrschichtelements 5 viel kleiner ist als jede der Dicken t&sub1;-t&sub4;. Damit die neutrale Ebene in der Ebene des Sperrschichtelements 5, z.B. zwischen den Schichten des Klebers 2 und des Substrats 3 zu liegen kommt, muß der Zähler in der Gleichung 2 Null sein. Diese Beziehung kann mit Gleichung 3 beschrieben werden.
  • Unter Verwendung der Gleichung 3 kann t&sub1;-t&sub4; der Materialschichten 1-4 in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Elastizitätsmoduln E&sub1;-E&sub4; so gewählt werden, daß die neutrale Ebene des Sonnenzellenbandes 10 innerhalb der Ebene des Sperrschichtelements 5 zu liegen kommt. Bekannte Herstellungstechniken wie die obenbeschriebenen können so gesteuert werden, daß das Sonnenzellenband 10 mit den Materialien 1-4 der gewählten Dicken t&sub1;-t&sub4; produziert wird.
  • Ein Sonderfall liegt vor, wenn die Elastizitätsmoduln E&sub1;, E&sub2; und E&sub4; der entsprechenden Schichten aus den Materialien 1, 2 und 4 untereinander gleich und viel kleiner sind als der Elastizitätsmodul E&sub3; des Substrats 3 und die Dicken t&sub1;, t&sub2; und t&sub4; der Materialschichten 1, 2 und 4 im wesentlichen gleich einer konstanten Dicke tc sind. In diesem Fall kann die Dicke t&sub3; des Substrats 3, durch die die neutrale Ebene des Sonnenzellbandes 10 in die Ebene des Sperrschichtelements 5 gelegt wird, als eine Funktion der Elastizitätsmoduln EC, E&sub3; und der dicke tC gemäß Gleichung 4 berechnet werden.
  • t3 = (3EC/E3) tC Gl. 4
  • wobei: E&sub1; E&sub2; E&sub4; EC « E&sub3;
  • t&sub1; t&sub2; t&sub4; = tC
  • Ein Sonnenzellenband 20, das ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, ist allgemein in der Fig. 2 dargestellt. Das Sonnenzellenband 20 enthält ein Sperrschichtelement 23, welches auf einem Substrat 22 aufgebracht ist. Das Sperrschichtelement 23 ist an der dem Substrat 22 gegenüberliegenden Seite durch eine Schicht aus transparentem Kleber/Lasur 21 gekapselt. Der Kleber bzw. die Lasur 21 ist gekennzeichnet durch einen Biegemodul E&sub2;&sub1; und eine Dicke t&sub2;&sub1;. Das Substrat 22 ist gekennzeichnet durch einen Biegemodul E&sub2;&sub2; und eine Dicke t&sub2;&sub2;. Das Substrat 22 und das Sperrschichtelement 23 können identisch zu ihren Entsprechungen sein, wie sie unter Bezugnahme auf das Sonnenzellenband 10 beschrieben sind. Für den Kleber bzw. die Lasur 21 können Haftkleber verwendet werden.
  • Die Position der neutralen Ebene des Sonnenzellenbandes 20 wird durch Gleichung 5 beschrieben.
  • Durch Setzen der neutralen Ebene gleich Null, ergibt sich die Position der neutralen Ebene relativ zur Ebene, in der das Sperrschichtelemente 23 liegt, anhand der nachstehenden Gleichung 6.
  • t&sub2;&sub2; = (E&sub2;&sub1;/E&sub2;&sub2;) t&sub2;&sub1; Gl. 6
  • Sonnenzellbänder wie die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten 10 und 20 können bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. In einer Ausführungsform wird das Sonnenzellenband 10 in Verbindung mit einer durch Licht wiederaufladbaren Batterie verwendet, wie sie in der US-Patentmeldung Nr. 07/165,488 beschrieben ist, die am 8.
  • März 1988 eingereicht und demselben Patentinhaber wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurde. Andere Anwendungen sind u.a. lichtbetriebene dekorative Wand-/Außenuhren, Rechner und sonstige lichtbetriebene elektronische Geräte. Das Sonnenzellenband 20 kann haftend an der Innenseite von Kfz-Verglasungen und anderem Glas befestigt und zum Antrieb einer Vielzahl elektrischer Geräte oder wiederaufladbarer Batterien verwendet werden. Da die neutrale Ebene dieser Geräte in der Ebene des Sperrschichtelements angeordnet ist, können sie nach der Herstellung aufgewickelt und/oder auf nichtplanaren Objekten angebracht werden, ohne daß die physikalischen und elektrischen Eigenschaften des Geräts nachteilig beeinf lußt werden.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung des Typs mit flexiblem Substrat, bei dem nacheinander eine Schicht Halbleitermaterial auf ein flexibles Substrat und eine Kapselungsschicht auf diese Schicht aus Halbleitermaterial aufgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des flexiblen Substrats und/oder der Kapselungsschicht in Abhängigkeit von den Elastizitätsmoduln des Substrats und der Kapselungsschicht gewählt ist, so daß die neutrale Zug-/Spannungsebene der integrierten Schaltung in der Nähe der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt, um zu verhindern, daß die Halbleitermaterialschicht durch Spannungen beschädigt wird, wenn die integrierte Schaltung gebogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des flexiblen Substrats und/oder der Kapselungsschicht so gewählt ist, daß die neutrale Ebene der integrierten Schaltung innerhalb von 20% der Gesamtdicke der integrierten Schaltung entfernt von der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des flexiblen Substrats und/oder der Kapselungsschicht so gewählt ist, daß die neutrale Ebene der integrierten Schaltung innerhalb von 20% der Gesamtdicke der integrierten Schaltung entfernt vin der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des flexiblen Substrats und/oder der Kapselungsschicht so gewählt ist, das die neutrale Ebene der integrierten Schaltung innerhalb von 5% der Gesamtdicke der integrierten Schaltung entfernt von der Halbleitermaterielschicht zu liegen kommt.
Verfahren zur Herstellung eines sonnenzellbandes (10), da folgende Schritte umfaßt: Auftragen eines dünnen Sperrschichtelements (5) auf ein flexibles polymeres Substrat (3), Kapseln des Sperrschichtelements mit einer Kapselungsschicht (1, 2) und Auftragen einer Klebstoffschicht (4) auf das dem Sperrschichtelement gegenüberliegende Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Dikken (t&sub3;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub4;) des Substrats, der Kapselungsschicht und/oder der Klebstoffschicht in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Elastizitätsmoduln (E&sub3;, E&sub1;, E&sub2;, E&sub4;) gewählt werden, um eine neutrale Zug-/Spannungsebene des Sonnenzellenbandes in der Nähe des Sperrschichtelements (5) anzuordnen, wodurch verhindert wird, daß das Sperrschichtelement durch Spannungen beschädigt wird, wenn das Sonnezellenband (10) gebogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken des flexiblen Substrats, der Kapselungsschicht und/oder der Klebstoffschicht so gewählt sind, daß die neutrale Ebene des Sonnenzellenbandes innerhalb von 20% der Gesamtdicke des Sonnenzellenbandes entfernt vom Sperrschichtelement zu liegen kommt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken des flexiblen Substrats, der Kapselungsschicht und/oder der Klebstoffschicht so gewählt sind, daß die neutrale Ebene des Sonnenzellenbandes innerhalb von 5% der Gesamtdicke des Sonnenzellenbandes entfernt vom Sperrschichtelement zu liegen kommt.
Flexible integrierte Schaltung umfassend:
ein flexibles Substrat;
eine Schicht Halbleitermaterial auf dem flexiblen Substrat; und
eine Kapselungsschicht, die auf diese Halbleitermaterialschicht aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken und Elastizitätsmoduln des Substrats und der Kapselungsschicht so gewählt sind, daß die neutrale Zug- /Spannungsebene im Bereich der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt, um zu verhindern, daß die Halbleitermaterialschicht durch Spannungen beschädigt wird, wenn die integrierte Schaltung gebogen wird.
8. Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Ebene innerhalb von 10% der Gesamtdicke der integrierten Schaltung entfernt von der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt.
9. Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Ebene innerhalb von 5% der Gesamtdicke der integrierten Schaltung entfernt von der Halbleitermaterialschicht zu liegen kommt.
10. Streifen eines Sonnenzellenbandes (10) umfassend:
ein flexibles polymeres Substrat (3);
ein dünnes Sperrschichtelement (5) auf dem Substrat;
eine das Sperrschichtelement kapselnde Kapselungsschicht (1, 2); und
eine auf dem Substrat auf der Seite gegenüber dem Sperrschichtelement aufgetragene Klebstoffschicht (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken und Elastizitätsmoduln des Substrats (t&sub3;, E&sub3;), der Kapselungsschicht (t&sub1;, t&sub2;, E&sub1;, E&sub2;) und der Klebstoffschicht (t&sub4;, E&sub4;) so gewählt sind, daß die neutrale Zug-/Spannungsebene der Sonnenzellenbandes im Bereich des dünnen Sperrschichtelements (5) zu liegen kommt, um zu verhindern, daß das Sperrschichtelement durch Spannungen beschädigt wird, wenn das Sonnenzellenband gebogen wird.
11. Sonnenzellenband nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Ebene innerhalb von 10% der Gesamtdicke des Bandes entfernt vom Sperrschichtelement zu liegen kommt.
12. Sonnenzellenband nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Ebene innerhalb von 5% der Gesamtdicke des Bandes entfernt vom Sperrschichtelement zu liegen kommt.
DE89308543T 1988-09-01 1989-08-23 Herstellungsverfahren eines biegesteifen Dünnschicht-Sonnenzellen-Bandes. Revoked DE68909734T2 (de)

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