DE69907866T2 - Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Solarzellen-Modulen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Dünnschicht-Solarbatteriemoduls mit mehreren auf einem Substrat ausgebildeten Zelleneinheiten, wobei Defekte, die im Schritt zum partiellen Entfernen einer zweiten Elektrode zum Teilen der zweiten Elektrode entsprechend den Zelleneinheiten entstehen, eliminiert werden und eine bessere Kontaktgrenzfläche zwischen einer Halbleiterschicht und der zweiten Elektrode erhalten wird, um zur Entwicklung einer integrierten Dünnschicht-Solarbatterie mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad beizutragen.
  • In den letzten Jahren werden in zunehmendem Maße Solarbatterien verwendet, in denen die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine kristalline Solarbatterie, in der einkristallines Silizium oder polykristallines Silizium verwendet wird, ist als im Außenbereich einsetzbare Solarbatterie zum Erzeugen elektrischer Leistung bereits in die Praxis umgesetzt worden. Andererseits befindet sich eine Dünnschicht-Solarschicht, in der amorphes Silizium oder ein ähnliches Material verwendet wird, durch dessen Verwendung die Rohmaterialkosten gesenkt werden können und die daher als kostengünstige Solarbatterie in Betracht kommt, gegenwärtig insgesamt in der Entwicklungsphase. Gegenwärtig werden auf der Basis von Ergebnissen, die beim Gebrauch von in der Praxis bereits weit verbreitet verwendeten Solarbatterien als Leistungsquelle für zivile elektrische Anwendungen gewonnen werden, z. B. für handgehaltene Rechner, umfangreiche Untersuchungen bezüglich Dünnschicht-Solarbatterien zur Verwendung im Außenberiech angestellt.
  • Schritte zum Aufbringen einer Dünnschicht durch ein CVD-Verfahren, Sputtern, usw. und zum Strukturieren der aufgebrachten Dünnschicht werden ähnlich wie bei der Herstellung eines herkömmlichen Dünnschichtbausteins wiederholt ausgeführt, um eine gewünschte Struktur einer Dünnschicht-Solarbatterie auszubilden. Im allgemeinen wird eine integrierte Struktur verwendet, in der mehrere Zelleneinheiten auf einem einzigen Substrat in Serie geschaltet sind. Eine für den Außenbereich geeignete Solarbatterie zur Leistungserzeugung weist ein Substrat mit einer sehr großen Fläche von mehr als z. B. 400 × 800 mm2 auf.
  • 1 zeigt eine Querschnittansicht zum Darstellen der Konstruktion einer Dünnschicht-Solarbatterie. 2 zeigt eine Draufsicht zum schematischen Darstellen der in 1 dargestellten Dünnschicht-Solarbatterie. Wie in den Figuren dargestellt ist, sind eine erste Elektrodenschicht 2, eine Halbleiterschicht 4, die beispielsweise aus amorphem Silizium besteht, und eine zweite Elektrodenschicht 6 in der genannten Reihenfolge auf einem Glassubstrat 1 auflaminiert. Diese Schichten werden entsprechend mehreren Zelleneinheiten 11 geteilt. Die zweite Elektrodenschicht 6 und die erste Elektrodenschicht 2 sind über Öfnungen für Verbindungen, d. h. in der Halbleiterschicht 4 ausgebildete Ritzlinien (scribe lines) 5, miteinander verbunden, und benachbarte Zelleneinheiten 11 sind in Serie geschaltet.
  • Die erste Elektrodenschicht 2 besteht aus einem transparenten, leitfähigen Oxid, z. B. aus Zinnoxid (SnO2), Zinkoxid (ZnO) oder Indium-Zinnoxid (ITO). Die zweite Elektrodenschicht 6 besteht dagegen aus einem aus Aluminium (Al), Silber (Ag) oder Chrom (Cr) hergestellten Metallfilm.
  • Die integrierte Dünnschicht-Solarbatterie mit der spezifischen Konstruktion wird folgendermaßen hergestellt. In einem ersten Schritt wird ein transparentes, leitfähiges Oxid, z. B. SnO2, ZnO oder ITO, auf dem Glassubstrat 1 aufgebracht, um die erste Elektrodenschicht 2 herzustellen. Die derart hergestellte erste Elektrodenschicht 2 wird an den Positionen von Ritzlinien 3 lasergeritzt, um die erste Elektrode 2 gemäß den mehreren Zelleneinheiten (Leistungserzeugungsbereichen) zu teilen. Das Substrat wird gewaschen, um durch das Laserritzen (Laser-Scribing) erzeugte geschmolzene Materialreste zu entfernen. Dann wird eine Halbleiterschicht 4 aus amorphem Silizium mit einer pin- Übergangsstruktur durch ein Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht. Die derart hergestellte Halbleiterschicht 4 wird an den Positionen der Ritzlinien 5 etwa 100 μm von den Ritzlinien 3 der ersten Elektrodenschicht 2 entfernt teilweise lasergeritzt. Durch die Ritzlinie 5 wird eine Öffnung für eine Verbindung zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der ersten Elektrodenschicht bereitgestellt. Dann wird eine Metallschicht aus z. B. Al, Ag oder Cr als die zweite Elektrodenschicht 6 in Form einer einzelnen Schicht oder mehrerer Schichten auf der Halbleiterschicht 4 ausgebildet. Die derart ausgebildete zweite Elektrodenschicht 6 wird an den Positionen von Ritzlinien 7, etwa 100 μm von den Ritzlinien 5 der Halbleiterschicht 4 entfernt, teilweise lasergeritzt. In diesem Schritt werden die zweite Elektrodenschicht 6 und die unter der Schicht 6 angeordnete Halbleiterschicht 4 an den Positionen der Ritzlinien 7 nacheinander entfernt. Dadurch wird eine integrierte Dünnschicht-Solarbatterie mit mehreren in Serie geschalteten Zelleneinheiten hergestellt.
  • Im nächsten Schritt werden ein Füllmaterial aus einem aushärtbaren Harz, z. B. aus Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymer (EVA), und eine Schutzschicht aus z. B. Fluorkohlenstoffharz, wie beispielsweise vom Typ Tedler, hergestellt von DuPont, auf die Rückseite der Dünnschicht-Solarbatterie auflaminiert und anschließend wird z. B. eine Vakuumlaminiervorrichtung zum Einkapseln der Zelleneinheiten verwendet. Dann wird ein Rahmen so montiert, daß er die Dünnschicht-Solarbatterie umgibt, wodurch die Dünnschicht-Solarbatterie fertiggestellt wird.
  • Die herkömmliche integrierte Dünnschicht-Solarbatterie wies unzureichende Ausgangskenngrößen auf. Insbesondere war der Füllfaktor (FF-Wert) der herkömmlichen Solarbatterie niedrig. Bei der Herstellung einer integrierten Dünnschicht-Solarbatterie wird versucht, die Prozeßbedingungen, z. B. die Dicke der ersten und der zweiten Elektrodenschichten 2 und 6 und die Schichtqualität der Halbleiterschicht 4, zu optimieren, um die Kenngrößen der Solarbatterie zu verbessern. Wenn ein Substrat eine große Fläche aufweist, werden die Experimente und Untersuchungen zum Bestimmen der optimalen Prozeßbedingungen jedoch kompliziert. Daher wird zunächst ein Hilfsexperiment ausgeführt, in dem eine Dünnschicht-Solarbatterie mit einer kleinen Fläche durch einen vereinfachten Prozeß hergestellt wird, um die Eigenschaften und Kenngrößen der Solarbatterie zu bewerten und die optimalen Prozeßbedingungen zu bestimmen. Die derart erhaltenen optimalen Bedingungen werden auf den Herstellungsprozeß einer Dünnschicht-Solarbatterie mit einer großen Fläche angewendet.
  • Wenn die für die Herstellung einer Dünnschicht-Solarbatterie mit einer kleinen Fläche optimalen Prozeßbedingungen unverändert auf die Herstellung einer Dünnschicht-Solarbatterie mit einer großen Fläche angewendet werden, ist es jedoch schwierig, ähnliche zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten wie im Hilfsexperiment. In vielen Fällen sind die FF-Werte der Solarbatterie mit einer großen Fläche niedriger. Unter diesen Umständen ist es absolut und dringend erforderlich, den FF-Wert zu verbessern, um den Umwandlungswirkungsgrad einer integrierten Dünnschicht-Solarbatterie mit einer großen Fläche zu verbessern.
  • Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen hat der vorliegende Erfinder festgestellt, daß die Abnahme des FF-Wertes einer Dünnschicht-Solarbatterie durch zwei Faktoren verursacht wird. Erstens sollte das Problem einer minderwertigen Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 4 und der zweiten Elektrode 6 betrachtet werden. Dieses Problem kann durch Ausbilden einer leitfähigen Schicht auf der Halbleiterschicht gelöst werden, um zu verhindern, daß sich im Waschschritt nach dem Ritzen der Halbleiterschicht eine natürliche Oxidschicht bildet, wie in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-8337 beschrieben ist. Ein zweites Problem besteht darin, daß ein Kurzsschluß oder ein elektrischer Leitungszustand in dem Abschnitt der Halbleiterschicht auftritt, der entfernt wird, nachdem ein Teil der zweiten Elektrodenschicht entfernt worden ist. D. h., zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der ersten Elektrodenschicht erscheint an der Position der Ritzlinie der zweiten Elektrodenschicht eine frische Oberfläche der Halbleiterschicht. Weil die frische Oberfläche der Halbleiterschicht instabil ist, nimmt der elektrische Widerstand ab, wenn eine Verunreinigung an der frischen Oberfläche anhaftet, auch wenn die Verunreinigungsmenge sehr gering ist. Dadurch wird veranlaßt, daß zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der ersten Elektrodenschicht ein Kurzschluß oder ein elektrischer Leitungszustand auftritt.
  • Der vorliegende Erfinder hat Untersuchungen angestellt, um herauszufinden, wie bekannte Verfahren genutzt werden könnten, um das vorstehend beschriebene zweite Problem zu lösen. Dabei hat sich gezeigt, daß das vorstehende Problem durch bekannte Verfahren nicht lösbar ist.
  • Beispielsweise wird in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-198685 (US-A-4862227) vorgeschlagen, eine Halbleiterschicht durch Bestrahlen durch einen Laserstrahl in einer Oxidationsatmosphäre zu ritzen und zu teilen. Der vorliegende Erfinder hat die Idee der Oxidation der freiliegenden Oberfläche einer Halbleiterschicht unter Verwendung der Laserbestrahlung in einer Oxidationsatmosphäre zum Ritzen der zweiten Elektrodenschicht untersucht. Es ist jedoch schwierig, ein Substrat mit einer großen Fläche in einer Oxidationsatmosphäre zu halten. Außerdem werden während der Laserbestrahlung tendentiell lokal große Temperaturen erzeugt, so daß Flammen auftreten können. D. h., die Laserbestrahlung ist gefährlich.
  • Ähnlicherweise wird in der japanischen Patentveröffentlichutng Nr. 61-156775 beschrieben, daß eine amorphe Solarbatterie mit einer gestapelten Struktur, in der eine Metallelektrode, eine amorphe Siliziumschicht und eine transparente Elektrode auf einem Substrat ausgebildet sind, einer Laserverarbeitung in einer Heißdampfatmosphäre unterzogen wird, um die gestapelte Struktur in Zellen zu teilen. Es wird außerdem beschrieben, daß die geteilten Zellen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 300°C unterzogen werden. In diesem Verfahren wird im Laserverarbeitungsschritt Heißdampf eingeblasen, um zu verhindern, daß die amorphe Siliziumschicht kristallisiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Substrat sich in diesem Verfahren durch die Erwärmung linear ausdehnt, wodurch die Genauigkeit in der Laserstrahlverarbeitung erheblich abnimmt. Außerdem ist es schwierig, Materialreste im verarbeiteten Abschnitt vollständig zu entfernen, auch wenn im Laserverarbeitungsschritt ein dampfhaltiges Trägergas eingeblasen wird. Es ist insbesondere schwierig, Materialreste zu entfernen, wenn die Laserverarbeitung mit einer hohen Geschwin digkeit ausgeführt wird. In diesem Fall ist es nahezu unmöglich, die verarbeitete Randfläche vollständig zur Außenseite hin freizulegen.
  • In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-280679 wird vorgeschlagen, eine Isolierschicht, die dicker ist als die Halbleiterschicht, im der Ritzlinie der zweiten Elektrodenschicht entsprechenden Bereich der ersten Elektrodenschicht auszubilden. In diesem Fall erscheint, weil die Isolierschicht unter der Halbleiterschicht ausgebildet ist, zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht kein Bereich der Halbleiterschicht, wenn die zweite Elektrodenschicht und die Halbleiterschicht unter der zweiten Elektrodenschicht geritzt werden. Durch Ausbilden der Isolierschicht nimmt jedoch die Fläche der Zellen ab, die in der Lage sind, Leistung zu erzeugen. Außerdem ist es schwierig, eine Isolierschicht so präzise auszubilden, daß sie den auf einem großflächigen Substrat ausgebildeten Zellen geeignet angepaßt ist.
  • Außerdem wird in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 60-85574 die Verwendung von Cr oder Ni zum Herstellen der zweiten Elektrode vorgeschlagen. Diese Veröffentlichung basiert auf der fehlerhaften Voraussetzung, daß die zweite Elektrode im Ritzschritt der zweiten Elektrode eine Legierung mit Silizium bildet, um einen elektrisch leitfähigen Zustand herzustellen. Die in dieser Veröffentlichung dargestellte Technik ist jedoch augenscheinlich nicht in der Lage, das mit einem verminderten FF-Wert in Beziehung stehende Problem zu lösen.
  • Eine andere Technik zum Wiedergewinnen des Füllfaktors ist im US-Patent Nr. 4371738 beschrieben, in dem der Staebler-Wronski-Effekt dargestellt ist, gemäß dem durch Lichtbestrahlung hervorgerufene Defekte in hydriertem amorphem Silizium durch einmaliges Erwärmen geheilt werden.
  • Durch diese Technik können zwar die durch Lichtbestrahlung hervorgerufenen Defekte geheilt werden, in dem Patent ist jedoch kein Konzept zum Heilen von Defekten beschrieben, die während des Laserritzens der zweiten Elektrode in der Siliziumschicht induziert werden.
  • In der US-A-4838950 wird ein Verfahren gemäß der Präambel von Patentanspruch 1 beschrieben.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnschicht-Solarbatteriemoduls mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen, wobei ein unerwünschter Stromweg an der freiliegenden Oberfläche einer Halbleiterschicht vermindert wird, die nach dem Schritt zum Ritzen der zweiten Elektrodenschicht entfernt wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Dünnschicht-Solarmoduls gemäß den Merkmalen der Patentansprüche bereitgestellt.
  • Erfindungsgemäß wird eine Laserbestrahlung zum Entfernen eines Teils der ersten Elektrode, der Halbleiterschicht bzw. der zweiten Elektrode verwendet. Die Laserbestrahlung wird etwa bei Raumtemperatur ausgeführt, d. h. bei Raumtemperatur ±10°.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
  • 1 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarbatteriemoduls; und 2 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Dünnschicht-Solarbatteriemoduls.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird im Schritt zum Ritzen der zweiten Elektrodenschicht auch die unter der zweiten Elektrodenschicht angeordnete Halbleiterschicht teilweise entfernt. Dadurch werden die zweite Elektrodenschicht, die frische Oberfläche der Halbleiterschicht und die erste Elektrodenschicht erneut zu Außenseite freigelegt. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die frische Oberfläche der Halbleiterschicht instabil, so daß der elektrische Widerstand abnimmt, wenn eine Verunreinigung an der frischen Oberfläche anhaftet, auch wenn die Verunreinigungsmenge sehr klein ist. Infolgedessen tritt in einem spezifischen Bereich tendentiell ein Kurzschluß oder ein elektrischer Leitungszustand auf.
  • Auf dem Fachgebiet ist bekannt, daß sich auf einer Oberfläche einer Halbleiterschicht z. B. in einer Sauerstoffatmosphäre eine natürliche Oxidschicht bildet. Die Ausbildung der natürlichen Oxidschicht, die einen Aktivierungsprozeß darstellt, wird durch Erwärmung stark begünstigt. Diese Erscheinung wird in der vorliegenden Erfindung ausgenutzt. Insbesondere wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 130°C, vorzugsweise mindestens 150°C ausgeführt, nachdem die zweite Elektrodenschicht und die Halbleiterschicht geteilt wurden, um die frische Oberfläche der Halbleiterschicht nichtleiten zu machen und dadurch zu verhindern, daß die erste und die zweite Elektrodenschicht über die Halbleiterschicht elektrisch miteinander verbunden werden.
  • In der vorliegenden Erfindung wird das Laserritzen etwa bei Raumtemperatur ausgeführt, um zu verhindern, daß die Verarbeitungsgenauigkeit infolge der Wärmeausdehnung des Substrats abnimmt. Dadurch würde die frische Oberfläche der Halbleiterschicht im Laserritzschritt nicht nichtleitend gemacht.
  • Um die Wirkung der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Wärmebehandlung zuverlässig zu erhalten, muß die Randfläche der Halbleiterschicht in der geritzten Nut der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht im Wär mebehandlungsschritt zur Außenseite freigelegt werden. Wenn die zweite Elektrodenschicht und die Halbleiterschicht lediglich durch die Laserverarbeitung geteilt würden, verbleiben in der geritzten Nut Materialreste der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht und bedecken die Randfläche der Halbleiterschicht. Dadurch wird die Wirkung der Wärmebehandlung im mit diesen Materialresten bedeckten Randabschnitt erheblich vermindert. Infolgedessen müssen die Materialreste der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht vor der Wärmebehandlung entfernt werden. Zum Entfernen dieser Materialreste ist ein Ultraschallreinigungsvorgang in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, oder ein Blasvorgang unter Verwendung von unter Druck stehendem Wasser effektiver als ein Blasvorgang mit Luft.
  • In der vorliegenden Erfindung kann die Wärmebehandlung z. B. unter Verwendung eines Ofens in einer Luftatmosphäre ausgeführt werden. Die Wärmebehandlung sollte z. B. bei 150°C für mindestens 20 Minuten oder bei 160°C für mindestens 15 Minuten ausgeführt werden. In der vorliegenden Erfindung sollte die Wärmebehandlung, die bei einer beliebigen Temperatur ausgeführt werden kann, die niedriger ist als die Temperatur, bei der die Halbleiterschicht ausgebildet wird, bei mindestens 130°C, vorzugsweise mindestens 140°C und am bevorzugtesten mindestens 150°C ausgeführt werden. Weil es genügt, die Wärmebehandlung für eine Zeitdauer auszuführen, die ausreichend ist, um die frische Oberfläche der Halbleiterschicht nichtleitend zu machen, kann die Wärmebehandlungszeit bei einer vorgegebenen Temperatur folgendermaßen bestimmt werden. Es wird ein Koordinatensystem vorbereitet, in dem die Abszisse den Reziprokwert der absoluten Temperatur und die Ordinate den Logarithmus des Reziprokwertes der Zeit darstellt. In diesem Koordinatensystem wird eine gerade Linie dargestellt (Arrhenius-Plot), die einen der Bedingung 150°C und 20 Minuten entsprechenden Punkt und einen der Bedingung 160°C und 15 Minuten entsprechenden Punkt verbindet. Basierend auf dem Graphen wird festgelegt, daß die Wärmebehandlungszeit bei einer vorgegebenen Wärmebehandlungstemperatur länger ist als eine durch die gerade Linie spezifizierte Zeit.
  • Die Wärmebehandlungszeit ist nicht besonders eingeschränkt, insofern die Wärmebehandlung ausgeführt wird, nachdem die zweite Elektrode und die Halbleiterschicht geteilt wurden. Außerdem kann die Wärmebehandlung in einer beliebigen Umgebung ausgeführt werden, insofern ein Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoffgas, in einer zum Oxidieren einer Randfläche der Halbleiterschicht ausreichenden Menge vorhanden ist. Natürlich kann die Wärmebehandlung gleichzeitig mit dem Schritt zum Laminieren einer Harzfüllmaterialschicht und einer Schutzschicht auf die Rückseite des Solarbatteriemoduls ausgeführt werden, um die Zelleneinheiten einzukapseln. Insbesondere wird, wenn EVA als Harzfüllmaterial verwendet wird, ein Peroxid als Polymerisationsinitiator verwendet. Dadurch wird die Oxidation auch in einem Vakuumlaminierschritt unterstützt. Die Wärmebehandlungszeit muß jedoch so eingestellt sein, daß das Harzfüllmaterial ausreichend aushärten kann und die Wirkung der Wärmebehandlung in ausreichendem Maße erhalten wird. Schnellhärtendes EVA härtet bei 150°C in 2 Minuten aus. Die Wärmebehandlung muß in der vorliegenden Erfindung jedoch für mindestens 20 Minuten ausgeführt werden. Außerdem kann kommerziell erhältliches EVA dissoziieren, wenn ein Ausheilungsvorgang bei der in der Erfindung verwendeten Temperatur für eine längere Zeitdauer ausgeführt wird. Daher ist es nicht vorteilhaft, den Ausheilungsschritt und den Einkapselungsschritt in einem Verarbeitungsschritt zu kombinieren.
  • Wenn ein Schritt zum Anlegen einer umgekehrten Vor- oder Sperrspannung an die Zelleneinheit, um Defekte der Halbleiterschicht zu eliminieren, im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Solarbatteriemoduls integriert ist, ist es wünschenswert, die Wärmebehandlung vor der Sperrspannungsbehandlung auszuführen. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, daß die im Schritt zum Ritzen der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht erzeugten Defekte in vielen Fällen tendentiell linear erzeugt werden. Die Sperrspannungsbehandlung ist zum Eliminieren punktförmiger Defekte sicher geeignet. Es ist jedoch schwierig, lineare Defekte durch die Sperrspannungsbehandlung zu eliminieren. Daher ist es wünschenswert, die Sperrspannungsbehandlung auszuführen, nachdem die im entfernten Bereich der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht auftretenden Kurzschlußdefekte durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung eliminiert worden sind.
  • Nachstehend wird ein Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Beispiel
  • Ein in 1 dargestelltes Solarbatteriemodul wurde folgendermaßen hergestellt.
  • Im ersten Schritt wurde ein Zinnoxidfilm 2 mit einer Dicke von 8000 Å durch ein thermisches CVD-Verfahren auf einem Glassubstrat 1 aus Kalknatronglas mit einer Fläche von 92 cm × 46 cm und einer Dicke von 4 mm ausgebildet. Der derart hergestellte Zinnoxidfilm 2 wurde an Positionen von Ritzlinien 3 durch eine Laserritzen-Vorrichtung bei Raumtemperatur (25°C) geritzt und in Strings geteilt, um den mehreren Zelleneinheiten entsprechende transparente Elektroden vorzubereiten. D. h., das Substrat 1 wurde auf einem X-Y-Tisch angeordnet und mit einer zweiten Harmonischen mit ei ner Wellenlänge von 532 nm bei einer Frequenz von 3 kHz, einer mittleren Ausgangsleistung von 500 mW und einer Pulsbreite von 10 ns bestrahlt. Die Trennbreite, d. h., die Breite der Ritzlinie 3, betrug 50 μm, und die Breite eines die Zelleneinheit bildenden Strings betrug etwa 10 mm. Das Substrat wurde gewaschen, um durch den Laserritzvorgang erzeugte geschmolzene Materialreste zu entfernen.
  • Dann wurde das Substrat 1 in einer Mehrkammer-Plasma-CVD-Vorrichtung angeordnet, um ein Plasma-CVD-Verfahren bei 200°C auszuführen und eine a-Si-Schicht 4 auf der geritzten oder strukturierten Zinnoxidschicht 2 auszubilden. Die a-Si-Schicht 4 bestand aus einer p-leitenden a-SiC:H-Schicht, einer eigenleitenden (intrinsic-Zone) a-Si:H-Schicht und einer n-leitenden mikrokristallinen Si:H-Schicht, um einen pin-Übergang herzustellen. Diese Halbleiterschichten wurden unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen hergestellt.
  • Um die p-leitende a-SiC:H-Schicht herzustellen, wurden SiH4 mit einer Durchflußrate von 100 sccm zugeführt, mit Wasserstoffgas auf 1000 ppm verdünntes B2H6 mit einer Durchflußrate von 2000 sccm zugeführt und CH4 zum Bilden einer Kohlenstofflegierung mit einer Durchflußrate von 30 sccm zugeführt. Nachdem der Druck auf 1 Torr eingestellt war, wurde eine Leistung von 200 W zugeführt, um ein Plasma zu erzeugen und dadurch die p-leitende a-SiC:H-Schicht herzustellen.
  • Um die eigenleitende a-Si:H-Schicht herzustellen, wurde SiH4 mit einer Durchflußrate von 500 sccm zugeführt, und nachdem der Druck auf 0,5 Torr eingestellt war, wurde eine Leistung von 500 W zugeführt, um ein Plasma zu erzeugen und dadurch die eigenleitende a-Si:H-Schicht herzustellen.
  • Um die n-leitende mikrokristalline a-Si:H-Schicht herzustellen, wurde SiH4 mit einer Durchflußrate von 100 sccm zugeführt, und mit Wasserstoffgas auf 1000 ppm verdünntes PH3 wurde mit einer Durchflußrate von 2000 sccm zugeführt. Nachdem der Druck auf 1 Torr eingestellt war, wurde eine Leistung von 3 kW zugeführt, um ein Plasma zu erzeugen und dadurch die n-leitende mikrokristalline a-Si:H-Schicht herzustellen.
  • In diesen Schritten wurden die Aufbringungszeiten so gesteuert, daß die p-leitende a-SiC:H-Schicht eine Dicke von 150 Å, die eigenleitende a-Si:H-Schicht eine Dicke von 3200 Å und die n-leitende mikrokristalline a-Si:H-Schicht eine Dicke von 300 Å erhielt.
  • Dann wurde das Substrat 1 aus der Plasma-CVD-Vorrichtung entnommen, und eine aus den vorstehend erwähnten drei Schichten bestehende a-Si-Schicht 4 wurde durch eine Laserritzvorrichtung bei Raumtemperatur (25°C) strukturiert. In diesem Schritt wurden die Ritzlinien 5 der a-Si-Schicht 4 100 nm von den Ritzlinien 3 der Zinnoxidschicht 2 versetzt ausgebildet. D. h., das Substrat 1 wurde auf einem X-Y-Tisch angeordnet und unter Verwendung eines Güte-geschalteten Q-switched) YAG-Lasers bei einer Frequenz von 3 kHz, einer mittleren Ausgangsleistung von 500 mW und einer Pulsbreite von 10 ns mit einer zweiten Harmonischen mit einer Wellenlänge von 532 nm bestrahlt. Die Trennbreite wurde durch Verschieben des Brennpunkts des Laserstrahls auf 100 μm eingestellt. Das Substrat wurde erneut gewaschen, um durch das Laserritzen erzeugte Materialreste zu entfernen.
  • Außerdem wurde das Substrat 1 in einer Sputtervorrichtung angeordnet, und eine (nicht dargestellte) ZnO-Schicht wurde durch HF-Magnetron-Sputtern unter Verwendung eines ZnO-Targets in einer Dicke von 1000 Å auf der strukturierten a-Si-Schicht 4 ausgebildet. Das Sputtern wurde unter einem Argongasdruck von 2 mTorr und mit einer Entladungsleistung von 200 W bei einer Temperatur von 200°C ausgeführt. Im nächsten Schritt wurde durch DC-Magnetron-Sputtern unter Verwendung eines Ag-Targets eine Ag-Schicht 6 in einer Dicke von 2000 Å auf der ZnO-Schicht ausgebildet. Das Sputtern wurde unter einem Argongasdruck von 2 mTorr und mit einer Entladungsleistung von 200 W bei Raumtemperatur ausgeführt.
  • Nachdem die Ag-Schicht 6 ausgebildet war, wurde das Substrat 1 aus der Magnetron-Sputtervorrichtung entnommen, und die aus der Ag-Schicht 6, der ZnO-Schicht und der darunterliegenden a-Si-Schicht 4 bestehende Laminatstruktur wurde unter Verwendung eines Laserritzers bei Raumtemperatur (25°C) strukturiert. In diesem Schritt wurden die Ritzlinien 7 der Ag-Schicht 100 μm von den Ritzlinien 5 der a-Si-Schicht 4 versetzt ausgebildet. Die Bedingungen für diesen Ritzvorgang waren die gleichen wie für die a-Si-Schicht 4. Die Trennbreite wurde auf 70 μm und die Stringbreite auf etwa 10 mm eingestellt. Um den aktiven Abschnitt der Solarbatterie von der Außenseite elektrisch zu isolieren, wurden die transparente Elektrodenschicht, die Halbleiterschicht und die rückseitige Elektrodenschicht bis zu 5 mm vom Außenumfang des Substrats 1 durch eine Laserbehandlung entfernt. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine durch diesen Vorgang erzeugte Laserisolationslinie. Außerdem wurden die an beiden Seiten angeordneten äußeren Bereiche der Strings 11a, 11b in einer Breite von 3,5 mm entfernt, um Bereiche 14 für eine Verdrahtung zum Herausführen der Elektroden unter Verwendung einer lötmittelplattierten Kupferfolie zu bilden. Dann wurde für 2 Minuten ein Ultraschallreinigungsvorgang mit Reinwasser ausgeführt, um Materialreste der Halbleiterschicht und der durch den Laserritzer strukturierten rückseitigen Elektrode zu entfernen. Als Ergebnis zeigte sich, daß die Materialreste in allen bearbeiteten Abschnitten entfernt waren.
  • Im nächsten Schritt wurde ein Lötmittel auf die Bereiche 14 aufgebracht, woraufhin auf dem Lötmittel Sammelschienenelektroden 16 ausgebildet wurden, die aus einer lötmit telplattierten Kupferfolie bestanden. Die Sammelschienenelektroden 16 waren parallel zu den Strings im aktiven Bereich der Solarbatterie angeordnet.
  • Dann wurde das Substrat in einem Reinofen angeordnet und durch das erfindungsgemäße Verfahren für 20 Minuten einer Wärmebehandlung bei 160°C unterzogen.
  • Nach der Wärmebehandlung wurde eine Sperrspannungsbehandlung ausgeführt, um die Defekte jeder Zelleneinheit zu eliminieren. Um die in den vorangehenden Behandlungen erzeugten Flecken zu entfernen, wurde die Solarbatterie mit Reinwasser gewaschen. Dann wurden Drähte wurden mit den Sammelschienenelektroden 16 verbunden. Daraufhin wurden die EVA-Schicht 8 und die aus einem Fluorkohlenstoffharz bestehende Schutzschicht 9 auf der Rückseite der Solarbatterie aufgebracht, woraufhin die Zelleneinheiten durch eine Vakuumlaminiervorrichtung eingekapselt wurden. Dann wurde ein Silikonharz an Positionen eingefüllt, an denen die Drähte herausgeführt wurden. Schließlich wurden Anschlüsse und ein Rahmen am Substrat montiert.
  • Die Strom-Spannungs-Kennlinie des erhaltenen Solarbatteriemoduls wurden unter Verwendung eines AM-1,5-Solarsimulators mit einer Strahlungsdichte von 100 mW/cm2 gemessen. Es hat sich gezeigt, daß der Kurzschlußstrom 1240 mA, die Leerlaufspannung 44,2V, der Füllfaktor 0,70 und die maximale Ausgangsleistung 38,4 W betrug.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • In diesem Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Solarbatteriemodul wie im vorstehend beschriebenen Beispiel hergestellt, außer daß der in der vorliegenden Erfindung vorgesehene Wärmebehandlungsschritt nicht ausgeführt wurde. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des derart hergestellten Solarbatteriemoduls wurde ebenfalls gemessen. Es hat sich gezeigt, daß der Kurzschlußstrom 1240 mA, die Leerlaufspannung 44,9V, der Füllfaktor 0,67 und die maximale Ausgangsleistung 35,6 W betrug. Daher war die maximale Ausgangsleistung des Vergleichsbeispiels 1 um etwa 2 W niedriger als im erfindungsgemäßen Beispiel.
  • Wenn wie im erfindungsgemäßen Beispiel nach dem Ritzen der zweiten Elektrodenschicht eine Wärmebehandlung ausgeführt wurde, wurde in jeder Zelleneinheit durch die Sperrspannungsbehandlung eine Heilung beobachtet. Im Vergleichsbeispiel 1 wurde dagegen in der Hälfte der Zelleneinheiten ein Leckstrom beobachtet, auch wenn eine Sperrspannungsbehandlung ausgeführt wurde. Durch die Zelleneinheiten, in denen ein Leckstrom erzeugt wird, wird veranlaßt, daß die Leerlaufspannung und der FF-Wert abnehmen.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Ein Solarbatteriemodul wurde durch Ausführen einer Sperrspannungsbehandlung nach dem Laserritzen der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht und anschließendes Ausführen einer Wärmebehandlung in einem Reinofen für 20 Minuten bei einer Temperatur von 160°C hergestellt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des erhaltenen Solarbatteriemoduls wurde gemessen, wobei sich gezeigt hat, daß das Solarbatteriemodul einen Kurzschlußstrom von 1240 mA, eine Leerlaufspannung von 43,2 V, einen Füllfaktor von 0,676 und eine maximale Ausgangsleistung von 36,2 W aufwies. Die experimentellen Daten zeigen klar, daß es, wenn nach der Sperrspannungsbehandlung eine Wärmebehandlung ausgeführt wird, schwierig ist, Defekte zu heilen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Dünnschicht-Solarbatteriemoduls mit einem Substrat (1) und mehreren auf dem Substrat (1) in Serie geschalteten Zelleneinheiten (11), wobei jede der Zelleneinheiten (11) eine erste Elektrodenschicht (2), eine Halbleiterschicht (4) und eine zweite Elektrodenschicht (6) aufweist, die auf dem Substrat (1) stapelförmig aufeinander angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: teilweises Entfernen der auf dem Substrat (1) ausgebildeten ersten Elektrodenschicht (2), um die erste Elektrodenschicht (2) entsprechend den mehreren Zelleneinheiten (11) zu teilen; Ausbilden einer Halbleiterschicht (4) auf der ersten Elektrodenschicht (2); teilweises Entfernen der Halbleiterschicht (4) für jede der mehreren Zelleneinheiten (11), um Öffnungen für eine Verbindung mit der ersten Elektrodenschicht (2) auszubilden; Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht (6) auf der Halbleiterschicht (4); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die weiteren Schritte: teilweises Entfernen der zweiten Elektrodenschicht (6) und der Halbleiterschicht (4) durch Laserritzen, um Nuten in der Nähe der in der Halbleiterschicht (4) ausgebildeten Öffnungen auszubilden, um die zweite Elekt rodenschicht (6) und die Halbleiterschicht (4) entsprechend den mehreren Zelleneinheiten (11) zu teilen; Freilegen der Randflächen der Halbleiterschicht (4) in den Nuten zur Außenseite durch Entfernen von Materialresten der zweiten Elektrodenschicht (6) und der Halbleiterschicht (4) von den Oberflächen; und Ausführen einer Wärmebehandlung bei mindestens 130°C, nachdem die zweite Elektrodenschicht (6) und die Halbleiterschicht geteilt wurden, für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Randflächen nichtleitend zu machen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur ausgeführt wird, die nicht niedriger ist als 150°C und niedriger ist als die Temperatur zum Ausbilden der Halbleiterschicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebehandlung für mindestens 20 Minuten bei 150°C ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebehandlung für mindestens 15 Minuten bei 160°C ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmebehandlung auf der Basis eines Arrhenius-Plots in einem Diagramm mit einem Koordinatensystems ausgeführt wird, in dem ein Reziprokwert der absoluten Temperatur auf der Abszisse und ein Logarithmus des Reziprokwertes der Zeit auf der Ordinate dargestellt ist, wobei eine gerade Linie einen einer Temperatur von 150°C und einer Zeit von 20 Minuten entsprechenden Punkt mit einem ei ner Temperatur von 160° und einer Zeit von 15 Minuten entsprechenden Punkt verbindet und die Wärmebehandlungszeit als eine Zeitdauer festgelegt wird, die länger ist als eine einem Punkt auf der geraden Linie bei einer vorgegebenen Wärmebehandlungstemperatur zugeordnete Zeit.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit dem Schritt zum Laminieren einer Harzschicht (8) auf die Rückseite der Zelleneinheiten (11) und zum thermischen Aushärten der Harzschicht (8) zum Einkapseln der Zelleneinheiten (11).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wärmebehandlung im Schritt zum thermischen Aushärten der Harzschicht (8) ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit dem Schritt zum Anlegen einer umgekehrten Vorspannung an die Zelleneinheiten (11), um Defekte nach der Wärmebehandlung zu eliminieren.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Teil der ersten Elektrodenschicht (2), ein Teil der Halbleiterschicht (4) und ein Teil der zweiten Elektrodenschicht (6) durch Laserbestrahlung entfernt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Laserbestrahlung etwa bei Raumtemperatur ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Halbleiterschicht (4) Silizium als eine Hauptkomponente enthält.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Elektrodenschicht (2) ein transparentes, leitfähiges Oxid enthält.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die zweite Elektrodenschicht (6) ein Metall oder ein Laminat aufweist, das mindestens zwei Metallschichten aufweist, oder ein Laminat, das eine transparente, leitfähige Oxidschicht und eine Metallschicht aufweist.
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