EP2429962A1 - Thin-film solar cell and method for producing a thin-film solar cell - Google Patents

Thin-film solar cell and method for producing a thin-film solar cell

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EP2429962A1
EP2429962A1 EP10720348A EP10720348A EP2429962A1 EP 2429962 A1 EP2429962 A1 EP 2429962A1 EP 10720348 A EP10720348 A EP 10720348A EP 10720348 A EP10720348 A EP 10720348A EP 2429962 A1 EP2429962 A1 EP 2429962A1
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EP
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solar cell
substrate glass
thin
glass
substrate
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Withdrawn
Application number
EP10720348A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Burkhard Speit
Eveline Rudigier-Voigt
Silke Wolff
Wolfgang Mannstadt
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Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a thin-film solar cell and a method for producing a thin-film solar cell.
  • thin-film technology is today a major competitor to the established c-Si wafer technology in photovoltaics.
  • Large-scale deposition processes at mostly lower efficiencies make these technologists attractive in terms of manufacturing costs and thus the so-called € / Wp.
  • An advantage of thin-film technology is a comparably short value-added chain, since semiconductor, cell and module manufacturing are in one hand. Nevertheless, cost-cutting measures are also playing an increasingly important role for thin-film technology in photovoltaics.
  • the cost reduction potentials are above all a reduction in material consumption, a reduction in process times and, associated with this, a higher throughput as well as an increase in the yield.
  • Solar cell concepts based on thin films mainly live on coating technologies on a large area.
  • a major challenge is the homogeneous coating of large areas (> 1 m 2 ), in particular edge effects or non-homogeneous ion exchange effects from, for example, the glass substrate locally affect the quality of the layers produced, which is macroscopically in a reduction of the yield but also the energy conversion efficiency of the module reflected.
  • Compound semiconductor-based thin film solar cells such as CdTe or CIGS (having the general formula Cu (In x -x , Ga ⁇ ) (Si- y , Sey) 2 ) show excellent stability as well as very high energy conversion efficiencies
  • BESTATIGUNGSKOPIE Solar cell structure is known for example from US 5,141,564. These materials are characterized in particular by the fact that they are direct semiconductors and absorb the sunlight effectively even in a relatively thin layer (about 2 ⁇ m).
  • the deposition technologies for such thin photoactive layers require high process temperatures to achieve high efficiencies. Typical temperature ranges lie between 450 and 600 ° C., the maximum temperature being limited in particular by the substrate. For large area applications, glass is generally used as the substrate.
  • floated soda lime glass (window glass) is used as the substrate, as can be seen from the publications DE 43 33 407, WO 94/07269 , 555 ° C and limits all subsequent processes to about 525 ° C, since otherwise it leads to so-called "sagging", ie warping, and begins to bend
  • Tg transformation temperature
  • warping or bending leads to problems, in particular in so-called inline processes / plants, for example at the locks and as a result the throughput and / or the yield become worse
  • Higher temperatures say> 550 ° C., can be achieved, for example, on metal foils, Ti foils, which withstand these temperatures, as described in WO 2005/006393
  • such systems have the disadvantage that they do not react because of their inherent conductivity are suitable for a monolithically integrated series connection of
  • Solar cells on metal foil are generally connected in series. Due to their low weight, such modules are particularly suitable for extraterrestrial applications. In principle, glass substrates are preferable for terrestrial applications, besides the static properties and the lighter ones Processing, above all because of the significantly higher achievable efficiencies.
  • DE 100 05 088 and JP 11-135819 A describe glass substrates for thin-film photovoltaic modules based on compound semiconductors.
  • the CTE has been adapted, which corresponds to the CTE of the first layer, the back contact (for example made of molybdenum).
  • the back contact for example made of molybdenum.
  • CTE mismatch of the glass substrate and the CIGS semiconductor layer does not ensure the layer adhesion of the CIGS layer on the Mo-coated substrate glass.
  • these substrates contain boron, which especially at high temperatures, ie> 550 0 C, can outgas from the substrate and acts as a semiconductor poison in the CIGS.
  • JP 11-135819 A describes substrates which have no CTE mismatch.
  • these glasses contain a high proportion of alkaline earth ions. wasjdazu results in that the mobility of the alkali ions in the substrate is drastically reduced or prevented. It is generally known that alkali ions play an important role during the layer deposition of the compound semiconductor thin films, and therefore it is desirable to have a substrate for the deposition process that allows for spatially and temporally homogeneous alkali ion delivery.
  • this alkali Lonenbewegige further limited by the unfavorable molar ratio of S1O2 / AI2O3> 8.
  • Such glass structures are dominated by the structural element of the Si 4+ oxygen tetrahedron without sufficient diffusion paths which builds up the structural element Al 3+ / Na + in the oxygen anions sublattice.
  • DE 196 16 679 C1 and DE 196 16 633 C1 describe a material with a similar glass composition.
  • this material may contain arsenic, which is a semiconductor poison for these layer systems and in particular can outgas at high temperatures and thus contaminate the semiconductor layer. Therefore, this material is not suitable as a glass substrate for CIGS-based solar cells. At this point it is either to use arsenic-free substrates by alternative refining agents to prevent the outgassing of arsenic over applied barrier layers or to make it difficult to degas via a targeted modification of the glass substrate.
  • Thin polycrystalline layers / layer packages based on Cu (In I-X1 Ga x ) (Si y , Se y ) 2 can be prepared in principle by a number of processes, including co-evaporation and the so-called sequential process.
  • methods such as liquid coatings or electrodeposition associated with a temperature step in chalcogen atmosphere are also suitable.
  • a deposition method that is particularly suitable for large areas and has a relatively stable process window compared to others is the sequential process. This process allows relatively short process times, in the range of a few minutes, in which case the limiting factor is the cooling of the substrate, and thus promises a high degree of economy.
  • the process is based on furnace processes, which are known in particular from the thick-film doping of silicon for photovoltaics, and enables a comparatively simple process control (US 2004115938).
  • a molybdenum layer is first applied to the substrate, which has the function of the back contact.
  • a so-called metallic precursor layer consisting of Cu, In and / or Ga, for example, deposited by sputtering and then thermally reacted in chalcogen atmosphere at temperatures of at least 500 0 C.
  • the back of the glass substrates can be attacked .
  • the SO 2 or SeO 2 fraction contained in the sulfur or selenium vapor can react with the sodium ions in the soda lime glass surface to form water-soluble Na 2 SO 4 or Na 2 SeO 4 , as a result of which the glass surface can be damaged sigmfikant-ge2020digtwer_d.en_kann.
  • cracking of the IITL layer may occur, for example due to heat inhomogeneities of the layer package during the coating process, spatially non-homogeneous diffusion of the alkali ions from the glass into the layer or generation of mechanical stresses of the glass in the event of rapid cooling.
  • Corrosion resistance is a key issue for thin film solar cells in general and for CIGS semiconductor based solar cells in particular. Corrosion-inducing processes can be: the handling of the glass samples, the external weathering, in particular with regard to long-term stability requirements (up to 20 years) and the CIGS deposition process itself, since such corrosion effects occur particularly when the substrate is exposed to high temperatures in an S / Reinforce se atmosphere.
  • the object of the invention is therefore to find a comparison with the prior art improved thin-film solar cell. Furthermore, it is an object of the invention to find a comparison with the prior art improved method for producing a thin-film solar cell.
  • the solar cell according to the invention should also be economical to produce by means of known methods or by means of the method according to the invention and have a higher efficiency.
  • Requirements that are placed on the invention are, moreover, the overcoming:
  • thermally induced substrate glass warping in particular in the case of flat modules, as occurs at high temperatures in the case of soda lime substrate glass,
  • the object is achieved according to claim 1 by means of a thin-film solar cell comprising at least one Na 2 O-containing multi-component substrate glass, wherein the substrate glass is not phase-separated and has a content of ß-OH of 25 to 80 mmol / l. Furthermore, it has been shown that it is advantageous if the substrate glass of the solar cell according to the invention
  • Tg a transformation temperature Tg of greater than 550 ° C., in particular of greater than 600 ° C., and / or
  • the solar cell can be a planar, curved, spherical or cylindrical thin-film solar cell.
  • the solar cell according to the invention is a substantially planar (flat) solar cell or a substantially tubular solar cell, wherein preferably flat substrate glasses or tubular substrate glasses are used.
  • the solar cell according to the invention is subject to no restriction with regard to its shape or to the shape of the substrate glass.
  • the outer diameter of a tubular substrate glass of the solar cell is preferably 5 to 5 mm, and the wall thickness of the tubular substrate glass is preferably 0.5 to 10 mm.
  • Cell in particular a solar cell according to claim 1 or 2, comprises at least the following steps: a) providing a Na 2 O-containing multicomponent substrate glass, wherein the substrate glass has a content of ⁇ -OH of 25 to 80 mmol / l and wherein the substrate glass is not phase-demixed b) applying a metal layer to the substrate glass, wherein the metal layer forms an electrical back contact of the thin-film solar cells, c) applying an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, in particular a CIGS
  • Composite semiconductor material comprising at least one high-temperature step at a temperature> 550 0 C, d) applying a p / n transition, in particular via a combination of buffer layer and subsequent window layer.
  • a metallic front side contact is applied.
  • metal layer here includes all suitable, electrically conductive layers.
  • the solar cells according to the invention and the solar cells produced by the process according to the invention have an over 2% absolute higher efficiency compared to the prior art.
  • Step b) preferably comprises applying a metal layer to the substrate, wherein the metal layer forms an electrical back contact of the thin-film solar cells, and is a single-layer or multi-layer system of suitable materials, more preferably a monolayer system of molybdenum ,
  • Step c) preferably comprises the application of an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, particularly preferably based on CIGS, with at least one high-temperature step in the temperature range 550 0 C ⁇ T ⁇ 700 0 C, particularly preferably 600 ° C ⁇ T ⁇ 700 ° C.
  • Step d) preferably comprises the application of an intrinsically n-type buffer layer of a semiconducting material, more preferably of CdS, In (OH), InS o.a. and a window layer of a transparent conductive material, more preferably ZnO: Al, ZnO: Ga or SnO: F, said window layer consisting of an intrinsic layer and a heavily doped layer.
  • a semiconducting material more preferably of CdS, In (OH), InS o.a.
  • a window layer of a transparent conductive material more preferably ZnO: Al, ZnO: Ga or SnO: F, said window layer consisting of an intrinsic layer and a heavily doped layer.
  • a substrate glass is not phase-separated in the sense of this invention if it has less than 10, preferably less than 5, surface defects in a surface area of 100 ⁇ 100 nm 2 after a conditioning experiment.
  • the conditioning experiment was carried out as follows: At 500 to 600 0 C, a flow of compressed air in the range between 15 to 50 ml / min and a flow of sulfur dioxide gas (SO 2 ) in the range 5 to 25 ml / min, for a period of 5 to 20 minutes, the substrate glass surface to be examined is gassed. Irrespective of the glass type, a crystalline coating forms on the substrate glass.
  • the surface defects per substrate glass surface area are determined microscopically, as shown for example in FIG. If less than 10, in particular less than 5, surface defects are present in a surface area of 100 ⁇ 100 nm 2 , the substrate glass is considered not to be phase-separated. All surface defects which have a diameter of> 5 nm are counted.
  • the ⁇ -OH content of the substrate glass was determined as follows.
  • the equipment used for the quantitative determination of the water over the OH stretching vibration around 2700 nm is the commercially available Nicolet FTIR spectrometer with attached computer evaluation. It was first measured the absorption in the wavelength range of 2500-6500 nm and determined the absorption maximum around 2700 nm.
  • the e value is taken from the work of H. Frank and H. Scholze from the "Glastechnische Berichte", Volume 36, Volume 9, page 350.
  • Thin-film solar cell is briefly referred to in the text for simplicity as solar cell, also in the dependent claims.
  • Substrate glass in the sense of this application may also comprise a superstrate glass.
  • Na 2 ⁇ -containing multicomponent substrate glass in the sense of this invention is meant that the substrate is glass in addition to Na 2 ⁇ further composition components such as B 2 O 3, BaO, CaO, SrO, ZnO, K 2 O, MgO, SiO 2 and Al 2 O 3 , but also non-oxide components such as F, P, N may contain.
  • B 2 O 3, BaO, CaO, SrO, ZnO, K 2 O, MgO, SiO 2 and Al 2 O 3 but also non-oxide components such as F, P, N may contain.
  • This invention enables the development of a low-cost, high-efficiency monolithic integrated photovoltaic module based on compound semiconductors, such as CdTe or CIGS. Cost-effective refers in the context of the invention to a possible small € / watt costs due mainly by higher efficiencies, faster process times and thus higher throughput, and higher yields.
  • the invention includes a substrate glass, in addition to its carrier function plays an active role in the semiconductor manufacturing process and in particular by an optimal CTE adaptation at high temperatures to the photoactive compound semiconductor thin film, and a high thermal (ie a high stiffness ness) and chemical (ie high corrosion resistance) stability.
  • the invention also includes tandem, multijunction or hybrid thin film solar modules from a high temperature process deposited on a substrate glass, and a process for making such modules. Furthermore, it is included in the invention that the solar module can have both flat, spherical, cylindrical or other geometric shapes. In particular embodiments, the glass may be colored.
  • Preferred technical features of the substrate glass included in the invention are: (i) highly corrosion resistant, (ii) material without spatial phase separation, (iii) As, B free, (iv) high temperature stable, (v) coefficient of thermal expansion (CTE) adjusted, (vi ) Na content, (vii) Mobility Na in glass, (viii) Stiffness (Ew-Tg)> 200 0 C.
  • the method according to the invention for producing a thin-film solar cell comprises at least one or all of the following steps:
  • high-alkali aluminosilicate glass systems met the requirements for a substrate glass for the thin-film solar cell produced in a high-temperature process.
  • the high-temperature CIGS manufacturing technology could be brought to the application with SubstratgJastempera- temperatures of up to 700 0 C, at the same time was adjusted to the CIGS semiconductor layer of the CTE of the substrate. Accordingly, 2% higher efficiencies of CIGS cells could be achieved compared to the standard process at temperatures - 525 ° C.
  • MgO + CaO + SrO + BaO 0, in particular> 0.5, preferably> 5
  • the glasses were melted in 4-liter platinum crucibles from conventional raw materials.
  • the AI raw material AI (OH) 3 was used and also an oxygen burner in the furnace chamber of the gas-heated melting furnace (Oxyfueltechnik) was used to achieve the high melting temperatures at oxidizing melt guide.
  • the raw materials were placed over a period of 8 hours at melting temperatures of 1580 0 C and then held for 14 hours at this temperature.
  • the molten glass was then poured within 8h to i4GQ G the mixture is cooled! Tund-anministerdJn a 500 0 C preheated graphite mold stirring.
  • Table 1 Exemplary embodiments of substrate glasses, as used according to the invention, composition components in mol%, molar ratios.
  • the molar ratios of the two glass formers SiO 2 to Al 2 O 3 are responsible for the achievement of high operating temperatures of the substrate glasses, since they determine the slope of the viscosity in the transformation point (Tg) to the softening point.
  • Such so-called long glasses can be thermally stressed not only up to the transformation point without deformation but also up to about 100 0 C below the softening point (Ew) of the glasses.
  • Ew softening point
  • the glasses of the above glass compositions meet exactly the requirements, as they are iron-free, but a water content of> 25 mmol / liter, preferably> 40 mmol / liter and more preferably> 50 mmol / liter ,
  • the semiconductors are chemically bound and can not get into the process even at temperatures> 550 0 C.
  • the water content can be determined with commercially available spectral measuring devices in the wavelength range from 2500 to 6000 nm using appropriate calibration standards.
  • FIG. 1 shows by way of example the water content ( ⁇ -OH) of a glass substrate according to the invention in comparison to the prior art. Infrared measurement in the wavelength range 2500 - 6000 nm with the maximum of the ⁇ -OH absorption of the water at 2800 nm from a soda-lime glass, a glass according to JP 11-135819A and example glass 4.
  • the mobility of the alkali ions in water-containing glasses such as those of the above composition, despite the increased proportion of alkaline earth ions, which meet the requirement of high Tg with high thermal expansion, however, the diffusion of smaller sodium Ions in the glass structure by the alkaline earth ions hinder, continues to exist.
  • the ion mobility of the sodium ions and their easier exchangeability in the glasses according to the invention is positively influenced especially by the residual water content in the glass structure, which with the selection of water-rich raw materials in the crystal lattice such as by Al (OH) 3 instead of Al 2 O 3 and by Oxygen-rich gas atmosphere in the melting process, also known as oxyfuel, can be realized.
  • the found ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 is also necessary for a high alkali ion mobility.
  • the alkali ions can be spatially homogeneously distributed over the entire substrate surface to the overlying layers or diffused therethrough.
  • the release of the alkali ions does not break even at higher temperatures,> 600 0 C, not from.
  • such a substrate exhibits improved adhesion properties for the functional layers of molybdenum and compound semiconductors deposited thereon.
  • compound semiconductor layers can grow up ideally, ie homogeneous crystal growth over the surface and thus a higher yield can be realized, as well as ensuring a sufficiently large alkali ion reservoir during the deposition process.
  • alkali ions can be exchanged L K example, specifically in the upper region-of the glass substrate ⁇ , Li by Na or vice versa.
  • glasses of different compositions, s. Table 1 are conditioned so that they allow a spatially and temporally homogeneous alkali ion delivery of exactly one species.
  • Composite semiconductor thin film solar cells especially those produced in a high temperature step under a corrosive atmosphere, must have a high corrosion resistance.
  • a hydrolytic resistance of the above-described glasses of ⁇ 0.5 ⁇ g / g Na 2 O significantly reduces the risk of corrosion.
  • the hydrolytic resistance is determined according to DIN ISO 719.
  • the substrate glass is ground into Glasgries with 300 to 500 microns grain size and then placed for one hour in 98 0 C hot, demineralized water. The aqueous solution is then analyzed for the alkali content.
  • soda-lime glasses show a reaction with SO2 / SeO2, but in contrast to the soda-lime glasses, without any visible corrosion of the surface, as when cleaning with water.
  • a corroded glass surface pictured on the left, soda lime substrate glass
  • the uncorroded surface shown on the right
  • This is due not only to the high mobility of the sodium ions in the glass lattice, which are replenished in the reaction with the chalcogenide oxides from deeper layers below the surface, the phase stability of the glass. This allows a homogeneous diffusion of the sodium ions to the surface and thus prevents a visibly corroded surface.
  • the so-called stiffness (dimensional stability at high temperatures> 600 ° C.) can be estimated, inter alia, by the difference between Ew-Tg (in 0 ° C.) Requirement of at least 200 ° C. is necessary in order to obtain thinner substrates than the currently used 3 bis-3 7 5-mm r d ⁇ h.
  • the substrate glass of the above composition was prepared and formulated so that it has a high dimensional stability at temperatures> 600 0 C.
  • This dimensional stability can be expressed by the so-called stiffness, which is indicated, inter alia, by the modulus of elasticity of the glasses of> 70 kN / mm 2 and by the large difference between softening point (EW) and transformation point (Tg).
  • EW softening point
  • Tg transformation point
  • the substrate glass thickness reduction By this substrate glass thickness reduction, a faster heat transfer through the substrate glass can be realized, which allows accelerated process control in the semiconductor deposition process and thus savings in process time. In particular, this allows, for example, the cooling section to be significantly reduced, which, in addition to the process times, also significantly reduces the investment costs.
  • Thinner substrate glasses also mean lower material and manufacturing costs for the substrate glass itself, and can lead to a more positive cost balance in the production of solar cells through lossless transport of the substrate glasses including layers in in-line systems. Bent substrate glass is problematic, for example, in process chamber locks and can lead to a significant yield loss. In addition, it is of enormous advantage for the lamination process, if the solar cells are not bent, again, not quite planar substrate glass can lead to a yield loss.
  • the metal film has a thickness of 0.2 to 5 microns, more preferably 0.5 to 1 micron and a conductivity of 0.6 x 10 5 to 2 x 10 5 Ohm.cm, more preferably 0.9 x 10 5 bis 1, 4 x 10 5 ohm.cm.
  • a substrate glass with a higher Tg than standard soda-lime glass allows for higher process temperatures during semiconductor deposition. It is known that higher deposition temperatures during chalcopyrite formation can lead to a significant minimization of crystal imperfections, to below the detection limit, such as the so-called CuAu order. This is especially true for the sequential process described above.
  • the semiconductor layers of the solar cells according to the invention with a substrate glass of the above composition and wherein a semiconductor layer was deposited at temperatures> 600 0 C meet the demand for a higher crystallinity and thus fewer defects. This can be seen in FIG. 4 on the basis of the Rama ⁇ spektre ⁇ . In FIG.
  • the A1 mode of a CIGS absorber layer is deposited according to the invention at high temperatures, and the A1 mode of a CIGS layer deposited on soda-lime glass is shown.
  • the lower half-width of the solar cell according to the invention is a direct measure of better crystal quality and thus fewer defects.
  • the mode shows in the CIGS layer according to the invention in the high-temperature step (T> 550 0 C) deposited on the basis of a substrate glass of the composition described lower half-width than a CIGS layer in the conventional process prepared on a Kalknatronsubstratglas (larger half-width).
  • FIG. 5 shows a solar cell produced according to the prior art, in particular an SEM micrograph of a cross section through the zonal structure of a multilayer molybdenum layer (three-layer process sequence) on a substrate glass (left in the image). Visible here are three steps in the molybdenum layer (center).
  • FIG. 6 shows a solar cell according to the invention, in particular a SEM micrograph of a cross section through the columnar, stepless structure of a molybdenum layer of a solar cell according to the invention, the molybdenum layer being applied by means of a single-layering process.

Abstract

The claimed thin-film solar cell comprises as least one multi-component substrate glass containing Na2O, the substrate glass is not phase-separated and has a ß-OH content of 25 - 80 mMol/l. The claimed method for producing a thin-film solar cell comprises the following steps: a) a multi-component substrate glass containing Na2O is provided, said substrate glass has a ß-OH content of 25 - 80 mMol/l and the substrate glass is not phase-separated, b) a metal layer is applied to the substrate glass, said metal layer forming an electric rear contact of the thin-film solar cells, c) an intrinsic p-conductive polycrystalline layer is applied, said layer being made of a composite semi-conductor material, in particular a CIGS-composite semi-conductor material, having at least one high temperature step at a temperature of > 550 °C d) a p/n-junction is applied. The glass is preferably composed of the following, in mole %: SiO2 61 - 70.5; AI2O3 8.0 - 15.0; B2O3 0 - 4.0; Na2O 0,5 - 18.0; K2O 0.05 - 10.0; Li2O + Na2O + K2O 10.0 - 22.0; MgO 0 - 7.0; CaO 0 - 5.0; SrO 0 - 9.0; BaO 0 - 5.0; CaO + SrO + BaO + ZnO 0.5 - 11.0; TiO2 + ZrO2 0 - 4.0; SnO2 + CeO2 0 - 0.5; As2O3 + Sb2O3 + P2O5 + La2O3 0 - 2.0; F2 + Cl2 0 - 2.

Description

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Dünnschichtsolarzelle und Verfahren zur Herstellung einer DünnschichtsolarzelleThin-film solar cell and process for producing a thin-film solar cell
Die Erfindung betrifft eine Dünnschichtsolarzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle.The invention relates to a thin-film solar cell and a method for producing a thin-film solar cell.
Die sogenannte Dünnschichttechnologie bildet heute in der Photovoltaik eine große Konkurrenz zu der etablierten c-Si-Wafer-Technologie. Großflächige Abscheideprozesse bei zumeist niedrigeren Wirkungsgraden machen diese Technologe hinsichtlich der Herstellkosten und damit den sogenannten €/Wp attraktiv. Ein Vorteil der Dünnschichttechnologie ist eine vergleichsweise kurze Wertschöpfungskette, da Halbleiter-, Zell- und Modulherstellung in einer Hand liegen. Nichtsdestotrotz spielen Kostensenkungsmaßnahmen auch für die Dünnschichttechnologie in der Photovoltaik eine immer größer werdende Rolle.The so-called thin-film technology is today a major competitor to the established c-Si wafer technology in photovoltaics. Large-scale deposition processes at mostly lower efficiencies make these technologists attractive in terms of manufacturing costs and thus the so-called € / Wp. An advantage of thin-film technology is a comparably short value-added chain, since semiconductor, cell and module manufacturing are in one hand. Nevertheless, cost-cutting measures are also playing an increasingly important role for thin-film technology in photovoltaics.
Die Kostensenkungspotentiale liegen dabei vor allem in einer Reduktion des Materialverbrauchs, einer Verkürzung der Prozesszeiten und damit verbunden einem höherem Durchsatz als auch der Erhöhung der Ausbeute. Solarzellenkonzepte auf Dünnschicht basierend leben vor allem von Beschichtungstechnolo- gien auf großer Fläche. Eine große Herausforderungen ist die homogene Be- schichtung großer Flächen (> 1 m2), insbesondere Randeffekte oder nicht homogene lonenaustauscheffekte aus beispielsweise dem Glassubstrat beeinflussen lokal die Qualität der hergestellten Schichten, was sich makroskopisch in einer Verringerung der Ausbeute aber auch der Energieumwandlungseffizienz des Moduls niederschlägt.The cost reduction potentials are above all a reduction in material consumption, a reduction in process times and, associated with this, a higher throughput as well as an increase in the yield. Solar cell concepts based on thin films mainly live on coating technologies on a large area. A major challenge is the homogeneous coating of large areas (> 1 m 2 ), in particular edge effects or non-homogeneous ion exchange effects from, for example, the glass substrate locally affect the quality of the layers produced, which is macroscopically in a reduction of the yield but also the energy conversion efficiency of the module reflected.
Dünnschichtsolarzellen auf Verbundhalbleiterbasis wie beispielsweise CdTe oder CIGS (mit der allgemeinen Formel Cu(lni-x,Gaχ)(Si-y,Sey)2) zeigen eine exzellente Stabilität als auch sehr hohe Energiekonversionseffizienzen, eine solcheCompound semiconductor-based thin film solar cells such as CdTe or CIGS (having the general formula Cu (In x -x , Gaχ) (Si- y , Sey) 2 ) show excellent stability as well as very high energy conversion efficiencies
BESTATIGUNGSKOPIE Solarzellenstruktur ist beispielsweise aus US 5,141 ,564 bekannt. Diese Materialien zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie direkte Halbleiter sind und bereits in einer relativ dünnen Schicht (ca. 2 μm) das Sonnenlicht effektiv absorbieren. Die Abscheidetechnologien für solche dünnen photoaktiven Schichten erfordern hohe Prozesstemperaturen um hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Typische Temperaturbereiche liegen hierbei zwischen 450 bis 6000C, wobei die Maximaltemperatur insbesondere durch das Substrat limitiert ist. Für großflächige Anwendungen wird als Substrat im Allgemeinen Glas verwendet. Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen, sprich der geringen Kosten, sowie einem Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der ungefähr an die Halbleiterschichten ange- passt ist, wird gefloatetes Kalknatronglas (Fensterglas) als Substrat verwendet, wie den Schriften DE 43 33 407, WO 94/07269 zu entnehmen ist. Kalknatronglas besitzt eine Tranformationstemperatur von ca. 555°C und limitiert dadurch alle folgenden Prozesse auf ca. 525°C, da es ansonsten zum sogenannten „sagging", d.h. zu Verwölbungen, führt und sich zu verbiegen beginnt. Dies gilt umso mehr je größer das zu beschichtende Substrat ist und je näher sich die Prozesstemperatur der Transformationstemperatur (Tg) des Glases nähert. Verwölbungen oder Verbiegungen führen insbesondere bei sogenannten Inline- Prozessen/Anlagen zu Problemen, beispielsweise an den Schleusen und daraus resultierend werden der Durchsatz und/oder die Ausbeute schlechter. Höhere Temperaturen, sprich > 550 0C, können beispielsweise auf Metallfolien, Ti-Folie, realisiert werden, welche diesen Temperaturen standhalten, wie in WO 2005/006393 beschrieben. Allerdings haben solche Systeme den Nachteil, dass sie sich aufgrund ihrer inhärenten Leitfähigkeit nicht für eine monolithisch integrierte Serienverschaltung der Module eignen und eine Beschichtung auf großer Eläche-aufgrund -deLEIexibilität dieserjSubAtrate sich als äußerst schwierig erweist. Solarzellen auf Metallfolie werden i.a. seriell verschaltet. Aufgrund des geringen Gewichts eignen sich solche Module insbesondere für extraterrestrische Anwendungen. Grundsätzlich sind Glassubstrate für terrestrische Anwendungen zu bevorzugen, neben den statischen Eigenschaften und der leichteren Prozessierung, vor allem auch aufgrund der deutlich höheren erzielbaren Wirkungsgrade.BESTATIGUNGSKOPIE Solar cell structure is known for example from US 5,141,564. These materials are characterized in particular by the fact that they are direct semiconductors and absorb the sunlight effectively even in a relatively thin layer (about 2 μm). The deposition technologies for such thin photoactive layers require high process temperatures to achieve high efficiencies. Typical temperature ranges lie between 450 and 600 ° C., the maximum temperature being limited in particular by the substrate. For large area applications, glass is generally used as the substrate. Because of economic considerations, ie the low cost, as well as a coefficient of thermal expansion (CTE) which fits approximately to the semiconductor layers, floated soda lime glass (window glass) is used as the substrate, as can be seen from the publications DE 43 33 407, WO 94/07269 , 555 ° C and limits all subsequent processes to about 525 ° C, since otherwise it leads to so-called "sagging", ie warping, and begins to bend The substrate to be coated is and the nearer the process temperature approaches the transformation temperature (Tg) of the glass, warping or bending leads to problems, in particular in so-called inline processes / plants, for example at the locks and as a result the throughput and / or the yield become worse Higher temperatures, say> 550 ° C., can be achieved, for example, on metal foils, Ti foils, which withstand these temperatures, as described in WO 2005/006393 However, such systems have the disadvantage that they do not react because of their inherent conductivity are suitable for a monolithically integrated series connection of the modules and a Beschichtungsu It is extremely difficult to achieve this level of subsidiarity on a large scale. Solar cells on metal foil are generally connected in series. Due to their low weight, such modules are particularly suitable for extraterrestrial applications. In principle, glass substrates are preferable for terrestrial applications, besides the static properties and the lighter ones Processing, above all because of the significantly higher achievable efficiencies.
Es ist allgemein hin bekannt, dass eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften solcher Dünnschichtsolarzellen auf Verbundhalbleiterbasis erzielt werden kann, wenn diese bei hohen Temperaturen, d.h. > 5500C, abgeschieden werden. Im Detail bedeutet dies, gelänge ein Abscheideprozess solcher Verbundhalbleiterdünnschichten bei hohen Temperaturen, dann könnten diese hinsichtlich der Prozessführung, d.h. höhere Abscheide- und Abkühlraten, sowie ihrer Leistungsfähigkeit als photovoltaischen Bauteil, d.h. eine exzellentere kristalline Qualität, optimiert werden. Wie bereits erwähnt, eignet sich Kalknatronglas hierfür nicht.It is generally known that an improvement in the electrical properties of such compound semiconductor-based thin film solar cells can be achieved when they are deposited at high temperatures, ie,> 550 ° C. In detail, this means that a deposition process of such compound semiconductor thin films at high temperatures could be optimized in terms of process control, ie higher deposition and cooling rates, and their performance as a photovoltaic device, ie, superior crystalline quality. As already mentioned, soda-lime glass is not suitable for this purpose.
In DE 100 05 088 und JP 11-135819 A werden Glassubstrate für Dünnschicht- Photovoltaik-Module auf Verbundhalbleiter-Basis beschrieben. In DE 100 05 088 wurde der CTE angepasst, was dem CTE der ersten Schicht, dem Rückkontakt (beispielsweise aus Molybdän) entspricht. Auf solchen Substraten ist durch die CTE-Fehlanpassung von Glassubstrat und CIGS-Halbleiterschicht die Schichthaftung der CIGS Schicht auf dem Mo-beschichteten Substratglas nicht gewährleistet. Zusätzlich enthalten diese Substrate Bor, welches insbesondere bei hohen Temperaturen, d.h. > 550 0C, aus dem Substrat ausgasen kann und als Halbleitergift im CIGS wirkt. Gewünscht wäre ein Substrat, welches zwar Bor enthalten kann, dieses allerdings nicht ausgasen kann und damit unschädlich für den Abscheideprozess und damit die Halbleiterschicht ist. In JP 11-135819 A werden Substrate beschrieben, die keine CTE- Fehlanpassung aufweisen. Allerdings enthalten diese Gläser einen hohen Anteil an~Erdalkali.-!onen. wasjdazu führt, dass die Beweglichkeit der Alkali-Ionen im Substrat drastisch reduziert bzw. verhindert wird. Es ist allgemein hin bekannt, dass Alkali-Ionen eine wichtige Rolle während der Schichtdeposition der Verbundhalbleiterdünnschichten spielen und daher ist es erwünscht ein Substrat für den Abscheideprozess zur Verfügung zu haben, welches eine räumlich als auch zeitlich homogene Alkali-Ionen Abgabe ermöglicht. Zudem ist diese Alkali- lonenbeweglichkeit durch das ungünstige molare Verhältnis von S1O2/AI2O3 > 8 weiter eingeschränkt. Solche Glasstrukturen werden beherrscht durch das Strukturelement des Si4+-Sauerstoff-Tetraeders ohne ausreichende Diffusionswege die das Strukturelement AI3+/Na+ im Sauerstoffanionenuntergitter aufbaut. In DE 196 16 679 C1 und DE 196 16 633 C1 wird ein Material mit ähnlicher Glaszusammensetzung beschrieben. Allerdings kann dieses Material Arsen enthalten, welches ein Halbleitergift für diese Schichtsysteme ist und insbesondere bei hohen Temperaturen ausgasen und damit die Halbleiterschicht kontaminieren kann. Daher eignet sich dieses Material nicht als Glassubstrat für CIGS- basierte Solarzellen. An dieser Stelle gilt es entweder arsenfreie Substrate durch alternative Läutermittel zu verwenden, über aufgebrachte Barriereschichten das Ausgasen von Arsen zu verhindern oder über eine gezielte Modifizierung des Glassubstrates die Ausgasung zu erschweren.DE 100 05 088 and JP 11-135819 A describe glass substrates for thin-film photovoltaic modules based on compound semiconductors. In DE 100 05 088, the CTE has been adapted, which corresponds to the CTE of the first layer, the back contact (for example made of molybdenum). On such substrates, CTE mismatch of the glass substrate and the CIGS semiconductor layer does not ensure the layer adhesion of the CIGS layer on the Mo-coated substrate glass. In addition, these substrates contain boron, which especially at high temperatures, ie> 550 0 C, can outgas from the substrate and acts as a semiconductor poison in the CIGS. It would be desirable to have a substrate that can contain boron, but this can not outgas and thus is harmless to the deposition process and thus the semiconductor layer. JP 11-135819 A describes substrates which have no CTE mismatch. However, these glasses contain a high proportion of alkaline earth ions. wasjdazu results in that the mobility of the alkali ions in the substrate is drastically reduced or prevented. It is generally known that alkali ions play an important role during the layer deposition of the compound semiconductor thin films, and therefore it is desirable to have a substrate for the deposition process that allows for spatially and temporally homogeneous alkali ion delivery. In addition, this alkali Lonenbeweglichkeit further limited by the unfavorable molar ratio of S1O2 / AI2O3> 8. Such glass structures are dominated by the structural element of the Si 4+ oxygen tetrahedron without sufficient diffusion paths which builds up the structural element Al 3+ / Na + in the oxygen anions sublattice. DE 196 16 679 C1 and DE 196 16 633 C1 describe a material with a similar glass composition. However, this material may contain arsenic, which is a semiconductor poison for these layer systems and in particular can outgas at high temperatures and thus contaminate the semiconductor layer. Therefore, this material is not suitable as a glass substrate for CIGS-based solar cells. At this point it is either to use arsenic-free substrates by alternative refining agents to prevent the outgassing of arsenic over applied barrier layers or to make it difficult to degas via a targeted modification of the glass substrate.
Weiterhin ist bekannt, dass Natrium einen positiven Einfluss auf die Kristal- litstruktur und Kristalldichte aber auch auf die Kristallitgröße und -Orientierung hat. Verschiedene Ansätze werden dazu unter Fachleuten diskutiert, aber als wesentliche Aspekte sind der verbesserte Chalkogeneinbau in das Kristallgitter sowie die Passivierung von Korngrenzen zu nennen. Diese Phänomene führen zwangsläufig zu erheblich besseren Halbleitereigenschaften, insbesondere zu einer Reduktion der Rekombination im Volumenmaterial und damit einer höheren Leerlaufspannung. Dies hat dann einen höheren Wirkungsgrad zur Folge. Allerdings ist die räumlich und insbesondere zeitliche Abgabe von Alkali-Ionen aus dem Substrat heraus in die Halbleiterschicht während des Depositionspro- zesses sehr inhomogen bei Verwendung von Kalknatrongläsern. In WQ-94/Q7-269~wird-diesesJ^roblemjso gelöst, jiass eine Barriereschicht auf der Glasoberfläche vor der Rückkontaktbeschichtung aufgebracht wird (meist SixNy, SiOxNy oder AI2O3) und so die Natriumdiffusion aus dem Glas in die Halbleiterschicht blockiert. Natrium wird dann in einem weiteren Prozessschritt als Schicht auf der Barriereschicht oder auf der Rückkontaktschicht separat zuge- geben werden (oft in Form von NaF2), was die Prozesszeiten und -kosten allerdings signifikant erhöht.Furthermore, it is known that sodium has a positive influence on crystal structure and crystal density but also on crystallite size and orientation. Various approaches will be discussed among experts, but key aspects are the improved chalcogen incorporation into the crystal lattice and the passivation of grain boundaries. These phenomena inevitably lead to significantly better semiconductor properties, in particular to a reduction of the recombination in the bulk material and thus a higher open circuit voltage. This then results in a higher efficiency result. However, the spatially and in particular temporal release of alkali ions from the substrate into the semiconductor layer during the deposition process is very inhomogeneous when using soda-lime glasses. In WQ-94 / Q7-269 this solution is solved so that a barrier layer is applied to the glass surface before the back contact coating (usually Si x Ny, SiO x N y or Al 2 O 3 ) and so the sodium diffusion from the glass blocked in the semiconductor layer. Sodium is then added in a further process step as a layer on the barrier layer or on the back contact layer separately. often in the form of NaF 2 , which significantly increases process times and costs.
Dünne polykristalline Schichten/Schichtpakete auf Basis von Cu(In-I-X1Gax)(Si- y,Sey)2 lassen sich prinzipiell durch eine Reihe von Verfahren herstellen, dazu gehören Co-Verdampfung und der sogenannte sequentielle Prozess. Zusätzlich eignen sich auch Verfahren, wie Flüssigbeschichtungen oder galvanische Abscheidung verbunden mit einem Temperaturschritt in Chalkogenatmosphäre. Eine Abscheidemethode, die sich insbesondere für große Flächen eignet und im Vergleich zu anderen ein relativ stabiles Prozessfenster aufweist, ist der sequentielle Prozess. Dieser Prozess erlaubt relativ kurze Prozesszeiten, im Bereich einiger Minuten, wobei hier der limitierende Faktor die Abkühlung des Substrats ist, und verspricht damit eine hohe Wirtschaftlichkeit. Außerdem basiert der Prozess auf Ofenprozessen, die insbesondere aus der Dickschichtdotierung von Silizium für die Photovoltaik bekannt sind, und ermöglicht eine vergleichsweise einfache Prozesskontrolle (US 2004115938). Bei diesem Prozess wird zunächst auf das Substrat eine Molybdänschicht aufgebracht, welche die Funktion des Rückkontakts hat. Des weiteren wird eine sogenannte metallische Vorläuferschicht, bestehend aus Cu, In und/oder Ga, beispielsweise durch Sputtem abgeschieden und anschließend thermisch in Chalkogen-Atmosphäre umgesetzt bei Temperaturen von mindestens 5000C. Bei diesem letzten Prozessschritt kann auch die Rückseite der Glassubstrate angegriffen werden. Dabei kann beispielsweise der im Schwefel- oder Selendampf enthaltene SO2- bzw. SeO2- Anteil mit den Natriumionen in der Kalknatronglasoberfläche unter Bildung von wasserlöslichem Na2SO4 bzw. Na2SeO4 reagieren, wodurch die Glasoberfläche sigmfikant-geschädigtwer_d.en_kann. Außerdem können Risse iiTLSchichtaufbau auftreten, beispielsweise durch Wärmeinhomogenitäten des Schichtpakets während des Beschichtungsprozesses, räumlich nicht homogene Diffusion der Alkali- Ionen aus dem Glas in die Schicht hinein oder Erzeugung von mechanischer Spannungen des Glases bei zu schneller Abkühlung. Insbesondere hinsichtlich der Temperaturprofile ist die Hochskalierung vom Labormaßstab (10 x 10 cm2) auf Industriemaßstab (derzeit 125 x 65 cm2) nicht vollkommen beherrscht. Ein weiterer Nachteil dieser Abscheidemethode ist, dass häufig eine Ablösung der Absorberschicht von der Rückkontaktschicht beobachtet wird, die bereits zu einer schlechten Ausbeute während der Solarzellenherstellung führen kann, insbesondere aber bei Außenanwendungen auftritt, sprich infolge von Temperaturwechselbelastungen im Tag/Nacht- oder Jahreszeitenwechsel. Aus US 4,915,745 oder DE 43 33 407 ist bekannt, dass mittels Zwischenschichten ein Haftvermittler geschaffen werden kann. Allerdings wäre es erstrebenswert auf einen solchen zusätzlichen Zwischenschritt zu verzichten.Thin polycrystalline layers / layer packages based on Cu (In I-X1 Ga x ) (Si y , Se y ) 2 can be prepared in principle by a number of processes, including co-evaporation and the so-called sequential process. In addition, methods such as liquid coatings or electrodeposition associated with a temperature step in chalcogen atmosphere are also suitable. A deposition method that is particularly suitable for large areas and has a relatively stable process window compared to others is the sequential process. This process allows relatively short process times, in the range of a few minutes, in which case the limiting factor is the cooling of the substrate, and thus promises a high degree of economy. In addition, the process is based on furnace processes, which are known in particular from the thick-film doping of silicon for photovoltaics, and enables a comparatively simple process control (US 2004115938). In this process, a molybdenum layer is first applied to the substrate, which has the function of the back contact. Furthermore, a so-called metallic precursor layer consisting of Cu, In and / or Ga, for example, deposited by sputtering and then thermally reacted in chalcogen atmosphere at temperatures of at least 500 0 C. In this last process step, the back of the glass substrates can be attacked , In this case, for example, the SO 2 or SeO 2 fraction contained in the sulfur or selenium vapor can react with the sodium ions in the soda lime glass surface to form water-soluble Na 2 SO 4 or Na 2 SeO 4 , as a result of which the glass surface can be damaged sigmfikant-geschädigtwer_d.en_kann. In addition, cracking of the IITL layer may occur, for example due to heat inhomogeneities of the layer package during the coating process, spatially non-homogeneous diffusion of the alkali ions from the glass into the layer or generation of mechanical stresses of the glass in the event of rapid cooling. In particular with regard to the temperature profiles, the scale up from the laboratory scale (10 x 10 cm 2 ) on industrial scale (currently 125 x 65 cm 2 ) is not completely mastered. Another disadvantage of this deposition method is that frequently a detachment of the absorber layer from the back contact layer is observed, which can already lead to a poor yield during solar cell production, but in particular occurs in outdoor applications, that is as a result of thermal cycling in the day / night or season change. From US 4,915,745 or DE 43 33 407 it is known that an adhesion promoter can be created by means of intermediate layers. However, it would be desirable to dispense with such an additional intermediate step.
Korrosionsbeständigkeit ist ein zentraler Punkt für Dünnschichtsolarzellen im Allgemeinen und für auf CIGS-Halbleiter basierende Solarzellen im Besonderen. Korrosion auslösende Prozesse können sein: Das Handling der Glasproben, die Außenbewitterung, insbesondere mit Hinblick auf Langzeitstablitätsanforderun- gen (bis zu 20 Jahre) und der CIGS-Abscheideprozess selbst, da sich solche Korrosionseffekte insbesondere bei Aussetzung des Substrates von hohen Temperaturen in einer S-/Se-haltigen Atmosphäre verstärken.Corrosion resistance is a key issue for thin film solar cells in general and for CIGS semiconductor based solar cells in particular. Corrosion-inducing processes can be: the handling of the glass samples, the external weathering, in particular with regard to long-term stability requirements (up to 20 years) and the CIGS deposition process itself, since such corrosion effects occur particularly when the substrate is exposed to high temperatures in an S / Reinforce se atmosphere.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Dünnschichtsolarzelle zu finden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle zu finden. Die erfindungsgemäße Solarzelle soll dabei auch mittels bekannter Verfahren oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wirtschaftlich herstellbar sein und einen höheren Wirkungsgrad aufweisen.The object of the invention is therefore to find a comparison with the prior art improved thin-film solar cell. Furthermore, it is an object of the invention to find a comparison with the prior art improved method for producing a thin-film solar cell. The solar cell according to the invention should also be economical to produce by means of known methods or by means of the method according to the invention and have a higher efficiency.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer hocheffizienten Dünnschichtsolarzelle auf einem hochkorrosionsstabi- len, temperaturfesten und funktionellen Substratglas anzugeben, wobei der HaI- bleiterdepositionprozess mindestens einen Hochtemperaturschritt, d.h. eine Temperatur von > 55O0C, beinhalten soll. Anforderungen, die an die Erfindung gestellt werden, sind darüber hinaus die Überwindung:It is another object of the present invention to provide a method for producing a high-efficiency thin-film solar cell on a highly corrosion-stable, temperature-resistant and functional substrate glass, wherein the HaI- bleiterdepositionprozess at least one high-temperature step, ie a temperature of> 55O 0 C, should include. Requirements that are placed on the invention are, moreover, the overcoming:
- der Temperatur-Limitierung durch das Glassubstrat bei gleichzeitiger CTE-Anpassung an das Schichtsystem,the temperature limitation by the glass substrate with simultaneous CTE adaptation to the layer system,
- von thermisch induziertem Substratglasverwölbungen insbesondere bei flächigen Modulen, wie es bei Kalknatronsubstratglas bei hohen Temperaturen prozessiert auftritt,thermally induced substrate glass warping, in particular in the case of flat modules, as occurs at high temperatures in the case of soda lime substrate glass,
- von Halbleitergiften, die während des Depositionsprozesses bei hohen Temperaturen in die Halbleiterschicht eingebaut werden können, wie es für dem Stand der Technik DE 100 05 088, DE 196 16 679,of semiconducting poisons which can be incorporated into the semiconductor layer at high temperatures during the deposition process, as described in the prior art DE 100 05 088, DE 196 16 679,
DE 196 16 633 entsprechende Glassubstrate der Fall ist,DE 196 16 633 corresponding glass substrates is the case,
- des räumlich und zeitlich inhomogenen Alkali-Ionen Eintrags in die Halbleiterschicht während des Depositionsprozesses ohne zusätzliche Prozessschritte, im Gegensatz zu WO 94/07269,the spatially and temporally inhomogeneous alkali ion entry into the semiconductor layer during the deposition process without additional process steps, in contrast to WO 94/07269,
- der Dickenlimitierung des Glassubstrat durch sowohl die nicht ausreichende Steifigkeit des Glassubstrats selbst als auch die Prozessbedingungen bei der Abscheidung,the thickness limitation of the glass substrate by both the insufficient rigidity of the glass substrate itself and the process conditions in the deposition,
- von Korrosionsproblemen,- of corrosion problems,
- von Haftungsproblemen,- of liability problems,
- von Inhomogenitäten während des Kristallwachstums selbst,- of inhomogeneities during crystal growth itself,
- der Prozesszeitiimitierung, insbesondere beim Abkühlvorgang, aber auch schnellerer Abscheideprozess (Durchsatz),the process time limitation, in particular during the cooling process, but also faster separation process (throughput),
- nicht ausreichend hohen Wirkungsgraden,- not sufficiently high efficiencies,
- von geringen Ausbeuten.- of low yields.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 mittels einer Dünnschichtsolarzelle, die wenigstens ein Na2O-haltiges Mehrkomponentensubstratglas umfasst, wobei das Substratglas nicht phasenentmischt ist und einen Gehalt an ß-OH von 25 bis 80 mMol/l aufweist. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn das Substratglas der erfindungsgemäßen SolarzelleThe object is achieved according to claim 1 by means of a thin-film solar cell comprising at least one Na 2 O-containing multi-component substrate glass, wherein the substrate glass is not phase-separated and has a content of ß-OH of 25 to 80 mmol / l. Furthermore, it has been shown that it is advantageous if the substrate glass of the solar cell according to the invention
- eine Transformationstemperatur Tg von größer als 550 0C, insbesondere von größer als 600 0C aufweist und/oder,a transformation temperature Tg of greater than 550 ° C., in particular of greater than 600 ° C., and / or
- einen Wärmeausdehnungskoeffizienten 020/300 von größer 7,5 x 10"6/K, insbesondere von 8,0 x 10"6ZK bis 9,5 x 10"6/K, im Temperaturbereich von 20 0C bis 300 0C aufweist und/oder,- a coefficient of thermal expansion 0 20/300 of greater than 7.5 x 10 "6 / K, in particular from 8.0 x 10 " 6 ZK to 9.5 x 10 "6 / K, in the temperature range from 20 0 C to 300 0 C. and / or
- weniger als 1 Gew.-% B2O3, weniger als 1 Gew.-% BaO und weniger als in Summe 3 Gew.-% CaO + SrO + ZnO (Summe CaO + SrO + ZnO < 3 Gew.-%) enthält und/oder,less than 1% by weight of B 2 O 3 , less than 1% by weight of BaO and less than 3% in total of CaO + SrO + ZnO (sum of CaO + SrO + ZnO <3% by weight) contains and / or
- ein molares Verhältnis der Substratglaskomponenten (Na2O+K2O)/(lvlgO+CaO+SrO+BaO) größer als 0,95 aufweist und/oder- Has a molar ratio of the substrate glass components (Na 2 O + K 2 O) / (lvlgO + CaO + SrO + BaO) greater than 0.95 and / or
- ein molares Verhältnis der Substratglaskomponenten Siθ2/Al2θ3 von kleiner als 8,8, insbesondere von kleiner 7 aufweist.- Has a molar ratio of the substrate glass components Siθ 2 / Al 2 θ3 of less than 8.8, in particular of less than 7.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle vorgehend genannten Merkmale erfüllt sind.It is particularly advantageous if all the features mentioned above are fulfilled.
Weiterhin hat es sich gezeigt, dass die Solarzelle eine planar, gewölbt, sphärisch oder zylindrisch ausgebildete Dünnschichtsolarzelle sein kann. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Solarzelle eine im wesentlichen planare (flache) Solarzelle oder eine im wesentlichen rohrförmige Solarzelle, wobei vorzugsweise flache Substratgläser oder rohrförmige Substratgläser verwendet werden. Grundsätzlich unterliegt die erfindungsgemäße Solarzelle keiner Beschränkung im Hinblick auf deren Form oder auf die Form des Substratglases. Im Falle einer rohrförmigen Solarzelle ist der Außendurchmesser eines rohrför- migen -Substratglases-der-Solarzelle vorzugsweise^ 5 b[s 100 mm und die Wanddicke des rohrförmigen Substratglases vorzugsweise 0,5 bis 10 mm.Furthermore, it has been found that the solar cell can be a planar, curved, spherical or cylindrical thin-film solar cell. Preferably, the solar cell according to the invention is a substantially planar (flat) solar cell or a substantially tubular solar cell, wherein preferably flat substrate glasses or tubular substrate glasses are used. In principle, the solar cell according to the invention is subject to no restriction with regard to its shape or to the shape of the substrate glass. In the case of a tubular solar cell, the outer diameter of a tubular substrate glass of the solar cell is preferably 5 to 5 mm, and the wall thickness of the tubular substrate glass is preferably 0.5 to 10 mm.
Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe gemäß Anspruch 4 wie folgt gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolar- - -With regard to the method, the object is achieved according to claim 4 as follows. The inventive method for producing a thin-film solar - -
zelle, insbesondere einer Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, umfasst wenigstens folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Na2O-haltigen Mehrkomponentensubstratglases, wobei das Substratglas einen Gehalt an ß-OH von 25 bis 80 mMol/l aufweist und wobei das Substratglas nicht phasenentmischt ist, b) Aufbringen einer Metallschicht auf das Substratglas, wobei die Metallschicht einen elektrischen Rückkontakt der Dünnschichtsolarzellen bildet, c) Aufbringen einer intrinsisch p-leitenden polykristallinen Schicht aus einem Verbundhalbleitermaterial, insbesondere aus einem CIGS-Cell, in particular a solar cell according to claim 1 or 2, comprises at least the following steps: a) providing a Na 2 O-containing multicomponent substrate glass, wherein the substrate glass has a content of β-OH of 25 to 80 mmol / l and wherein the substrate glass is not phase-demixed b) applying a metal layer to the substrate glass, wherein the metal layer forms an electrical back contact of the thin-film solar cells, c) applying an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, in particular a CIGS
Verbundhalbleitermaterial, umfassend mindestens einem Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur > 550 0C, d) Aufbringen eines p/n-Übergangs, insbesondere über eine Kombination von Pufferschicht und nachfolgender Fensterschicht.Composite semiconductor material comprising at least one high-temperature step at a temperature> 550 0 C, d) applying a p / n transition, in particular via a combination of buffer layer and subsequent window layer.
Im Falle einer nicht monolithisch integrierten Serienverschaltung wird vorzugsweise ein metallischer Vorderseitenkontakt aufgebracht.In the case of non-monolithically integrated series connection, preferably a metallic front side contact is applied.
Der Begriff Metallschicht umfasst hier alle geeigneten, elektrisch leitfähigen Schichten.The term metal layer here includes all suitable, electrically conductive layers.
Die erfindungsgemäßen Solarzellen und die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Solarzellen weisen einen um über 2 % absolut höheren Wirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik auf.The solar cells according to the invention and the solar cells produced by the process according to the invention have an over 2% absolute higher efficiency compared to the prior art.
Schritt b) umfasst vorzugsweise das Aufbringen einer Metallschicht auf das Sub- stratg!as,-wobei-die~Metallscbicht eine.n elektrischen Rückkontakt der Dünnschichtsolarzellen bildet, und ein Ein- oder Mehrschichtsystem ist, aus geeigneten Materialien, besonders bevorzugt ein Einschichtsystem aus Molybdän.Step b) preferably comprises applying a metal layer to the substrate, wherein the metal layer forms an electrical back contact of the thin-film solar cells, and is a single-layer or multi-layer system of suitable materials, more preferably a monolayer system of molybdenum ,
Schritt c) umfasst vorzugsweise das Aufbringen einer intrinsisch p-leitenden polykristallinen Schicht aus einem Verbundhalbleitermaterial, besonders bevorzugt auf Basis von CIGS, mit mindestens einem Hochtemperaturschritt im Temperaturbereich 5500C < T < 7000C, besonders bevorzugt 600°C < T < 700°C.Step c) preferably comprises the application of an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, particularly preferably based on CIGS, with at least one high-temperature step in the temperature range 550 0 C <T <700 0 C, particularly preferably 600 ° C <T <700 ° C.
Schritt d) umfasst vorzugsweise das Aufbringen einer intrinsisch n-ieitenden Pufferschicht aus einem halbleitendem Material, besonders bevorzugt aus CdS, In(OH), InS o.a. und einer Fensterschicht aus einem transparenten leitfähigem Material, besonders bevorzugt ZnO:AI, ZnO:Ga oder SnO:F, wobei diese Fensterschicht aus einer intrinsischen Schicht und einer hochdotierten Schicht besteht.Step d) preferably comprises the application of an intrinsically n-type buffer layer of a semiconducting material, more preferably of CdS, In (OH), InS o.a. and a window layer of a transparent conductive material, more preferably ZnO: Al, ZnO: Ga or SnO: F, said window layer consisting of an intrinsic layer and a heavily doped layer.
Ein Substratglas ist nicht phasenentmischt im Sinne dieser Erfindung, wenn es weniger als 10, vorzugsweise weniger als 5 Oberflächendefekte in einem Oberflächenbereich von 100 x 100 nm2 nach einem Konditionierungsversuch aufweist. Der Konditionierungsversuch wurde dabei folgendermaßen durchgeführt: Bei 500 bis 6000C, einem Durchfluss von Druckluft im Bereich zwischen 15 bis 50 ml/min und einem Durchfluss von Schwefeldioxidgas (SO2) im Bereich 5 bis 25 ml/min, für eine Dauer von 5 bis 20 Minuten, wird die zu untersuchende Substratglasoberfläche begast. Dabei bildet sich unabhängig von Glastyp ein kristalliner Belag auf dem Substratglas. Nach Abwaschen des kristallinen Belags (z.B. mittels Wasser oder einer sauren oder basischen wässrigen Lösung, so dass die Oberfläche nicht weiter angegriffen wird) werden mikroskopisch, wie beispielsweise in Figur 2 dargestellt, die Oberflächendefekte pro Substratglasoberflächefläche bestimmt. Sofern weniger als 10, insbesondere weniger als 5 Oberflächendefekte in einem Oberflächenbereich von 100 x 100 nm2 vorliegen, gilt das Substratglas als nicht phasenentmischt. Gezählt werden dabei alle Oberflächen- defekte die^einen _D_urchm_esser von > 5 nm aufweisen.A substrate glass is not phase-separated in the sense of this invention if it has less than 10, preferably less than 5, surface defects in a surface area of 100 × 100 nm 2 after a conditioning experiment. The conditioning experiment was carried out as follows: At 500 to 600 0 C, a flow of compressed air in the range between 15 to 50 ml / min and a flow of sulfur dioxide gas (SO 2 ) in the range 5 to 25 ml / min, for a period of 5 to 20 minutes, the substrate glass surface to be examined is gassed. Irrespective of the glass type, a crystalline coating forms on the substrate glass. After washing off the crystalline coating (eg by means of water or an acidic or basic aqueous solution so that the surface is not further attacked), the surface defects per substrate glass surface area are determined microscopically, as shown for example in FIG. If less than 10, in particular less than 5, surface defects are present in a surface area of 100 × 100 nm 2 , the substrate glass is considered not to be phase-separated. All surface defects which have a diameter of> 5 nm are counted.
Der ß-OH-Gehalt des Substratglases wurde wie folgt bestimmt. Die eingesetzte Apparatur zur quantitativen Bestimmung des Wassers über die OH- Streckschwingung um 2700 nm ist das handelsübliche Nicolet-FTIR- Spektrometer mit angeschlossener Computerauswertung. Es wurde zunächst die Absorption im Wellenlängenbereich von 2500 - 6500 nm gemessen und das Absorptionsmaximum um 2700 nm bestimmt. Der Absorptionskoeffizient α wurde dann mit der Probendicke d, der Reintransmission Tj und dem Reflektionsfaktor P berechnet: α = 1/d*lg(1/Ti) [cm"1], wobei T1- = T/P mit der Transmission T. Der Wassergehalt errechnet sich weiter aus c = α /e, wobei e der prakt. Extinktionskoeffizient [l*Mol"1*cm"1] und wird für den oben genannten Auswertebereich als konstanter Wert von e = 110 l*Mor1*cm"1 bezogen auf Mol H2O eingesetzt. Der e-Wert ist der Arbeit von H. Frank und H. Scholze aus den „Glastechnischen Berichten", 36. Jahrgang, Heft 9., Seite 350, entnommen.The β-OH content of the substrate glass was determined as follows. The equipment used for the quantitative determination of the water over the OH stretching vibration around 2700 nm is the commercially available Nicolet FTIR spectrometer with attached computer evaluation. It was first measured the absorption in the wavelength range of 2500-6500 nm and determined the absorption maximum around 2700 nm. The absorption coefficient α was then calculated with the sample thickness d, the net transmission Tj and the reflection factor P: α = 1 / d * Ig (1 / Ti) [cm -1 ], where T 1 = T / P with the transmission T. The water content is further calculated from c = α / e, where e is the practical extinction coefficient [l * mol "1 * cm " 1 ] and is used for the abovementioned evaluation range as a constant value of e = 110 l * Mor 1 * cm " 1 based on moles of H 2 O used. The e value is taken from the work of H. Frank and H. Scholze from the "Glastechnische Berichte", Volume 36, Volume 9, page 350.
Dünnschichtsolarzelle wird im Text der Einfachheit wegen kurz Solarzelle genannt, auch in den abhängigen Ansprüchen. Substratglas im Sinne dieser Anmeldung kann auch ein Superstratglas umfassen.Thin-film solar cell is briefly referred to in the text for simplicity as solar cell, also in the dependent claims. Substrate glass in the sense of this application may also comprise a superstrate glass.
Mit Na2θ-haltigem Mehrkomponentensubstratglas im Sinne dieser Erfindung ist gemeint, dass das Substratglas neben Na2θ weitere Zusammensetzungskomponenten, wie B2O3, BaO, CaO, SrO, ZnO, K2O, MgO, SiO2 und AI2O3, aber auch nichtoxidische Komponenten wie F, P, N, enthalten kann.With Na 2 θ-containing multicomponent substrate glass in the sense of this invention is meant that the substrate is glass in addition to Na 2 θ further composition components such as B 2 O 3, BaO, CaO, SrO, ZnO, K 2 O, MgO, SiO 2 and Al 2 O 3 , but also non-oxide components such as F, P, N may contain.
Diese Erfindung ermöglicht die Entwicklung eines kostengünstigen, hocheffizienten monolithisch integrierten Photovoltaik-Moduls auf der Basis von Verbundhalbleiter, wie CdTe oder CIGS. Kostengünstig bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf möglicht kleine €/Watt Kosten bedingt vor allem durch höhere Wirkungsgrade, schnellere Prozesszeiten und damit höheren Durchsatz, sowie höhere Ausbeuten.This invention enables the development of a low-cost, high-efficiency monolithic integrated photovoltaic module based on compound semiconductors, such as CdTe or CIGS. Cost-effective refers in the context of the invention to a possible small € / watt costs due mainly by higher efficiencies, faster process times and thus higher throughput, and higher yields.
Die Erfindung beinhaltet ein Substratglas, dem neben seiner Trägerfunktion eine aktive Rolle im Halbleiterherstellungsprozess zukommt und sich insbesondere durch ein optimale CTE-Anpassung bei hohen Temperaturen an die photoaktive Verbundhalbleiterdünnschicht, sowie eine hohe thermische (d.h. eine hohe Stiff- ness) und chemische (d.h. eine hohe Korrosionsbeständigkeit) Stabilität aufweist.The invention includes a substrate glass, in addition to its carrier function plays an active role in the semiconductor manufacturing process and in particular by an optimal CTE adaptation at high temperatures to the photoactive compound semiconductor thin film, and a high thermal (ie a high stiffness ness) and chemical (ie high corrosion resistance) stability.
Die Erfindung beinhaltet auch Tandem-, Multijunction- oder Hybrid- Dünnschichtsolarmodule aus einem Hochtemperaturprozess abgeschieden auf einem Substratglas, sowie einen Prozess zur Herstellung solcher Module. Des weiteren ist in die Erfindung eingeschlossen, dass das Solarmodul sowohl flach, sphärisch, zylinderförmig oder andere geometrische Formen ausweisen kann. In besonderen Ausführungsformen kann das Glas gefärbt sein.The invention also includes tandem, multijunction or hybrid thin film solar modules from a high temperature process deposited on a substrate glass, and a process for making such modules. Furthermore, it is included in the invention that the solar module can have both flat, spherical, cylindrical or other geometric shapes. In particular embodiments, the glass may be colored.
Bevorzugte technische Merkmale des in der Erfindung beinhalteten Substratglases sind: (i) hochkorrosionsstabil, (ii) Material ohne räumliche Phasentrennung, (iii) As-, B-frei, (iv) hochtemperaturstabil, (v) Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) angepasst, (vi) Na-Gehalt, (vii) Mobilität Na im Glas, (viii) Stiffness (Ew- Tg) > 200 0C.Preferred technical features of the substrate glass included in the invention are: (i) highly corrosion resistant, (ii) material without spatial phase separation, (iii) As, B free, (iv) high temperature stable, (v) coefficient of thermal expansion (CTE) adjusted, (vi ) Na content, (vii) Mobility Na in glass, (viii) Stiffness (Ew-Tg)> 200 0 C.
Bevorzugte technische Merkmale des Verfahrens: (i) großflächiger Prozess, (ii) hohe Temperaturen (> 55O0C1 besonders > 6000C), (iii) homogenerer Prozess, d.h. schnellere Prozesszeiten und damit höherer Durchsatz, (iv) höhere Ausbeute.Preferred technical features of the process: (i) large-area process, (ii) high temperatures (> 55O 0 C 1 especially> 600 0 C), (iii) more homogeneous process, ie faster process times and thus higher throughput, (iv) higher yield.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtsolarzelle, wenigstens einen oder alle der folgenden Schritte:Preferably, the method according to the invention for producing a thin-film solar cell comprises at least one or all of the following steps:
a) Bereitstellen eines Substrates, welches die geforderten Bedingungen erfüllt. b) Reinigung und Vorkonditionierung des Substartglases durch eine saure Aus- la.ugung von Oberflächenverunreirngungen und oberflächennahen Natriumionen in salzsäurehaltiger Waschlotion, c) Bilden einer Metallschicht auf dem Substrat, wobei die Metallschicht einen elektrischen Rückkontakt in der Dünnschicht-Solarzellen Struktur bildet und vorzugsweise ein Einschichtsystem ist, ohne Strukturstufen oder -brüche, d) Bilden einer intrinsisch p-leitenden polykristallinen Schicht aus einem Verbundhalbleitermaterial, besonders bevorzugt auf Basis von CIGS, mit mindestens einem Hochtemperaturschritt, e) Bilden eines p/n Übergangs über Einbringen einer dünnen Pufferschicht, beispielsweise eine wenige nm dicke CdS-Schicht, und nachfolgend einer n- leitenden, transparenten TCO, wie beispielsweise ZnO oder ZnO:AI oder deren Kombination. f) Bilden einer monolithische Serienverschaltung zwischen den verschiedenen Depositionsschritten oder Aufbringen eines Frontkontaktgrids bestehend aus Metallfingern und Stromsammeischienen, g) Verkapselung des Dünnschichtmoduls.a) providing a substrate which meets the required conditions. b) cleaning and preconditioning of the substrate glass by acid leaching of surface impurities and near-surface sodium ions in hydrochloric acid wash lotion, c) forming a metal layer on the substrate, the metal layer forming an electrical back contact in the thin-film solar cell structure and preferably a monolayer system is, without structural steps or fractures, d) forming an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, particularly preferably based on CIGS, with at least one high-temperature step, e) forming a p / n junction by introducing a thin buffer layer, for example a few nm thick CdS layer, and following an n-type, transparent TCO, such as ZnO or ZnO: Al or their combination. f) forming a monolithic series connection between the various deposition steps or applying a front contact grid consisting of metal fingers and bus bars, g) encapsulation of the thin-film module.
Überraschenderweise erfüllten hochalkalihaltige Alumosilikatglassysteme die Anforderungen an ein Substratglas für die Dünnschichtsolarzelle hergestellt in einem Hochtemperaturprozess. In einem besonderen Ausführungsbeispiel konnte die Hochtemperatur-CIGS-Herstellungs-Technologie mit SubstratgJastempera- turen von bis zu 7000C zur Anwendung gebracht werden, wobei gleichzeitig der CTE des Substrats an die CIGS-Halbleiterschicht angepasst war. Entsprechend konnten 2% höhere Wirkungsgrade von CIGS Zellen im Vergleich zum Stan- dardprozess bei Temperaturen - 525°C erzielt werden.Surprisingly, high-alkali aluminosilicate glass systems met the requirements for a substrate glass for the thin-film solar cell produced in a high-temperature process. In a particular embodiment, the high-temperature CIGS manufacturing technology could be brought to the application with SubstratgJastempera- temperatures of up to 700 0 C, at the same time was adjusted to the CIGS semiconductor layer of the CTE of the substrate. Accordingly, 2% higher efficiencies of CIGS cells could be achieved compared to the standard process at temperatures - 525 ° C.
Die Anforderungen an das Substratglas für einem Herstellungsprozess mittels eines Hochtemperaturschritts werden durch Glaszusammensetzuήgen (Mol.-%) im folgenden Bereich besonders gut erfüllt:The requirements for the substrate glass for a production process by means of a high-temperature step are particularly well met by glass compositions (mol .-%) in the following range:
SiQ2 61 - 70,5SiQ 2 61 - 70.5
AI2O3 8,0 - 15,0AI 2 O 3 8.0 - 15.0
B2O3 0 - 4,0B 2 O 3 0 - 4.0
Na2O 0,5 - 18,0Na 2 O 0.5 - 18.0
K2O 0,05 - 10,0K 2 O 0.05 - 10.0
Li2O + Na2O + K2O 10,0 - 22,0 MgO 0-7,0Li 2 O + Na 2 O + K 2 O 10.0 - 22.0 MgO 0-7.0
CaO 0-5,0CaO 0-5.0
SrO 0-9,0SrO 0-9.0
BaO 0-5,0BaO 0-5.0
MgO + CaO + SrO + BaO 0, insbesondere > 0,5, bevorzugt > 5MgO + CaO + SrO + BaO 0, in particular> 0.5, preferably> 5
CaO + SrO + BaO + ZnO 0,5- 11,0CaO + SrO + BaO + ZnO 0.5-11.0
TiO2 + ZrO2 0-4,0TiO 2 + ZrO 2 0-4.0
SnO2+ CeO2 0 - 0,5, insbesondere 0,01 - 0,5, bevorzugt 0,1 - 0,5SnO 2 + CeO 2 0-0.5, in particular 0.01-0.5, preferably 0.1-0.5
As2O3 + Sb2O3 + P2O5 + La2O3 0-2,0As 2 O 3 + Sb 2 O 3 + P 2 O 5 + La 2 O 3 0-2.0
F2 +Cl2 0-2, insbesondere 0-1,0 ß-OH-Gehalt (mMol/Liter) 25-80F 2 + Cl 2 0-2, in particular 0-1.0 β-OH content (mmol / liter) 25-80
SiO2/AI2O3 4,2-8,8SiO 2 / Al 2 O 3 4,2-8,8
Alkalioxide/AI2O3 0,6-3,0Alkali oxides / Al 2 O 3 0.6-3.0
Erdalkalioxide/Al2θ3 0,1-1,3Alkaline earth oxides / Al 2 O 3 0.1-1.3
Anzahl Oberflächendefekte < 10Number of surface defects <10
Die Gläser wurden in 4-Liter Platintiegeln aus herkömmlichen Rohstoffen erschmolzen. Um einen gewissen Bestandteil an Wasser im Glas zu gewährleisten, wurde der AI-Rohstoff AI(OH)3 eingesetzt und zudem kam ein Sauerstoffbrenner im Ofenraum des gasbeheizten Schmelzofens (Oxyfueltechnik) zur Erzielung der hohen Schmelztemperaturen bei oxydierender Schmelzführung zum Einsatz. Die Rohstoffe wurden über einen Zeitraum von 8h bei Schmelztemperaturen von 15800C eingelegt und anschließend 14h lang auf dieser Temperatur gehalten. Unter Rühren wurde dann die Glasschmelze innerhalb von 8h auf i4GQ-G-abgeküh!tund-anschließendJn eine 5000C vorgeheizte Graphitform gegossen. Diese Gussform wurde unmittelbar nach dem Guss in einen auf 650°C vorgeheizten Kühlofen verbracht, der mit 5°C/h auf Raumtemperatur abkühlte. Aus diesem Block wurden danach die für die Messungen notwendigen Glasproben herauspräpariert. Überraschenderweise wurde gefunden, dass diese Gläser beim Schmelzen unter oxidierenden Bedingungen bei Verwendung von Nitraten der Alkali- und/oder der Erdalkalikomponenten eine hohe Homogenität bezüglich Blasigkeit aufweisen.The glasses were melted in 4-liter platinum crucibles from conventional raw materials. To ensure a certain constituent of water in the glass, the AI raw material AI (OH) 3 was used and also an oxygen burner in the furnace chamber of the gas-heated melting furnace (Oxyfueltechnik) was used to achieve the high melting temperatures at oxidizing melt guide. The raw materials were placed over a period of 8 hours at melting temperatures of 1580 0 C and then held for 14 hours at this temperature. The molten glass was then poured within 8h to i4GQ G the mixture is cooled! Tund-anschließendJn a 500 0 C preheated graphite mold stirring. This mold was placed immediately after casting in a pre-heated to 650 ° C cooling oven, which cooled to 5 ° C / h to room temperature. The glass samples necessary for the measurements were then removed from this block. Surprisingly, it has been found that these glasses have a high homogeneity with regard to blowing when melting under oxidizing conditions when nitrates of the alkali and / or alkaline earth metal components are used.
Tabelle 1: Ausführungsbeispiele für Substratgläser, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden, Zusammensetzungskomponenten in Mol-%, molare Verhältnisse.Table 1: Exemplary embodiments of substrate glasses, as used according to the invention, composition components in mol%, molar ratios.
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7Example 1 2 3 4 5 6 7
SiO2 64,88 68,65 66,32 63,77 66,26 66,83 70,04SiO 2 64.88 68.65 66.32 63.77 66.26 66.83 70.04
AI2O3 11 ,07 11 ,2 7,96 11,01 10,91 10,91 13,22AI 2 O 3 11, 07 11, 2 7,96 11,01 10,91 10,91 13,22
B2O3 0,45 3,65 0 0 0 0 0B 2 O 3 0.45 3.65 0 0 0 0 0
Li2O 2,49 0,49 0 0 0 0 1 ,06Li 2 O 2.49 0.49 0 0 0 0 1, 06
Na2O 11 ,61 8,02 3,57 12,59 11 ,3 11 ,3 3,52Na 2 O 11, 61 8.02 3.57 12.59 11, 3 11, 3 3.52
K2O 6,07 1 ,34 8,5 3,58 3,82 3,82 5,14K 2 O 6.07 1, 34 8.5 3.58 3.82 3.82 5.14
MgO O O 6,56 3,25 3,25 0 0,3MgO O O 6.56 3.25 3.25 0 0.3
CaO 0,56 4,53 0 0 0,12 0,12 1 ,63CaO 0.56 4.53 0 0 0.12 0.12 1, 63
SrO O 0,31 7,98 0 0 2,0 0SrO O 0.31 7.98 0 0 2.0 0
BaO O O 2,22 0 2,0 0 1 ,38BaO O O 2.22 0 2.0 0 1, 38
ZnO 4,0 0,4 0 0 0 0 0ZnO 4.0 0.4 0 0 0 0 0
TiO2+ZrO2 O O 3,41 0,66 1 ,23 0,66 2,68TiO 2 + ZrO 2 OO 3.41 0.66 1, 23 0.66 2.68
SnO2+CeO2 0,14 0,16 0,02 0,02 0,19 0,19 0,14SnO 2 + CeO 2 0.14 0.16 0.02 0.02 0.19 0.19 0.14
F2+GI2- 0,1 0 0,2 0,5 0,59 0,59 0 F2 + GI2- 0.1 0 0.2 0.5 0.59 0.59 0
As2O3+Sb2O3+P2O5+La2O3 O 1,0 0,05 0,35 0,33 0,33 0As 2 O 3 + Sb 2 O 3 + P 2 O 5 + La 2 O 3 O 1.0 0.05 0.35 0.33 0.33 0
CaO + SrO + ZnO 4,56 5,24 7,98 0 0,12 2,12 1 ,63CaO + SrO + ZnO 4.56 5.24 7.98 0 0.12 2.12 1, 63
(Na2O+K2O)/(Na 2 O + K 2 O) /
(MgO+CaO+SrO+BaO) 31 ,55 1 ,88 0,72 4,98 2,82 7,13 2,61(MgO + CaO + SrO + BaO) 31, 55 1, 88 0.72 4.98 2.82 7.13 2.61
SiO2/AI2O3 5,9 6,1 8,3 5,8 6,1 6,1 5,3 - -SiO 2 / Al 2 O 3 5.9 6.1 8.3 5.8 6.1 6.1 5.3 - -
α 20/300 (10"6/K) 8,9 7,55 8,5 8,6 9,1 8,7 7,55α 20/300 (10 "6 / K) 8.9 7.55 8.5 8.6 9.1 8.7 7.55
Tg (0O 595 573 655 610 593 579 661Tg ( 0 595 573 655 610 593 579 661
Ew (0C) 812 763 898 852 821 822 884Ew ( 0 C) 812 763 898 852 821 822 884
Ew-Tg (0C) 217 190 243 242 228 243 223Ew-Tg ( 0 C) 217 190 243 242 228 243 223
Anzahl Oberflächendefekte << 1100 <10 <10 <10 <10 <10 < 10 ß-OH-Gehalt in mMol/l 52 51 47 31 26 29 63Number of surface defects << 1100 <10 <10 <10 <10 <10 <10 β-OH content in mmol / l 52 51 47 31 26 29 63
Die molaren Verhältnisse der beiden Glasbildner SiO2 zu AI2O3 sind für das Erreichen von hohen Einsatztemperaturen der Substratgläser verantwortlich, da sie die Steigung der Viskosität im Bereich Transformationspunkt (Tg) bis zum Erweichungspunkt festlegen. Solche sogenannten langen Gläser können nicht nur bis zum Transformationspunkt thermisch belastet werden ohne Deformation sondern darüber hinaus bis ca. 1000C unter den Erweichungspunkt (Ew) der Gläser. Damit kann auch beim Einsatz hoher Temperaturen, d.h. > 550° und < 700°C, gewährleistet werden, dass keine thermisch induzierten Substratverwölbungen auftreten. Allerdings muss die wesentliche Anforderung der CTE-Anpassung an das nachfolgende Schichtsystem gleichzeitig gelöst werden. Entscheidend, besonders für den hohen Ausdehnungskoeffizient der Boroalumi- nosilikatgläser, ist das molare Verhältnis von Summe Alkali-Ionen zu AI2O3. Hier erfüllt nur das hier überraschend gefundene sehr enge Verhältnis Alkalioxide/Aluminiumoxid von 0,6 bis 3,0 die beiden Anforderungen hoher Tg zwischen 580 und 6800C und gleichzeitig hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient größer 7,5 x 10"6ZK und erfüllt damit den geforderten CTE.The molar ratios of the two glass formers SiO 2 to Al 2 O 3 are responsible for the achievement of high operating temperatures of the substrate glasses, since they determine the slope of the viscosity in the transformation point (Tg) to the softening point. Such so-called long glasses can be thermally stressed not only up to the transformation point without deformation but also up to about 100 0 C below the softening point (Ew) of the glasses. Thus, even when using high temperatures, ie> 550 ° and <700 ° C, it can be ensured that no thermally induced substrate swellings occur. However, the essential requirement of the CTE adaptation to the subsequent layer system must be solved simultaneously. Decisive, especially for the high expansion coefficient of Boroalumi- silikatgläser, is the molar ratio of the sum of alkali metal ions to Al 2 O 3 . Here meets only surprisingly found here very close ratio alkali oxides / alumina of 0.6 to 3.0 the two requirements of high Tg between 580 and 680 0 C and at the same time high thermal expansion coefficient greater than 7.5 x 10 "6 ZK and thus fulfills the required CTE.
Bei der Herstellung von Halbleiter im Allgemeinen ist es äußerst kritisch, wenn Malbleitergifte-in-den-P-Fozess-gelangen.,-diejdie_se dje Leistungsfähigkeit der Schicht drastisch reduzieren. Es gilt bei der Herstellung von CIGS-basierten Solarzellen im Hochtemperaturprozess zu vermeiden, dass Halbleitergifte, wie Eisen, Arsen oder Bor, aus dem Glas ausgasen oder diffundieren, da diese Elemente u.a. zu aktiven Rekombinationszentren werden und zu einem Einbruch von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom führen können. Überraschender- - -In the manufacture of semiconductors in general, it is extremely critical when Malbleitergifte-in-the-P Fozess-go, -. Diejdie_se reduce dje performance of the film dramatically. In the production of CIGS-based solar cells in the high-temperature process, it is important to prevent semiconductor poisons, such as iron, arsenic or boron, from outgassing or diffusing out of the glass, since these elements can become active recombination centers and lead to a drop in open circuit voltage and short-circuit current , surprisingly - -
weise wurde gefunden, dass die Gläser obiger Glaszusammensetzungen genau die Anforderungen erfüllen, wie sie ein Hochtemperaturprozess bedingt, da sie eisenfrei sind, jedoch einen Wassergehalt von > 25 mMol/Liter, bevorzugt > 40 mMol/Liter und besonders bevorzugt > 50 mMol/Liter enthalten. Damit sind die Halbleitergifte chemisch gebunden und können nicht in den Prozess gelangen auch nicht bei Temperaturen > 5500C.For example, it was found that the glasses of the above glass compositions meet exactly the requirements, as they are iron-free, but a water content of> 25 mmol / liter, preferably> 40 mmol / liter and more preferably> 50 mmol / liter , Thus, the semiconductors are chemically bound and can not get into the process even at temperatures> 550 0 C.
Der Wassergehalt kann mit handelsüblichen Spektralmessgeräten im Wellenlängenbereich von 2500 bis 6000nm bestimmt werden unter Verwendung entsprechender Eichstandards.The water content can be determined with commercially available spectral measuring devices in the wavelength range from 2500 to 6000 nm using appropriate calibration standards.
In Figur 1 ist beispielhaft der Wassergehalt (ß-OH) eines erfindungsgemäßen Glassubstrates im Vergleich zum Stand der Technik wiedergegeben. Infrarotmessung im Wellenlängenbereich 2500 - 6000 nm mit dem Maximum der ß-OH Absorption des Wassers bei 2800 nm von einem Kalknatronglas, einem Glas laut JP 11-135819A und Beispielglas 4.FIG. 1 shows by way of example the water content (β-OH) of a glass substrate according to the invention in comparison to the prior art. Infrared measurement in the wavelength range 2500 - 6000 nm with the maximum of the β-OH absorption of the water at 2800 nm from a soda-lime glass, a glass according to JP 11-135819A and example glass 4.
Die gezielte Abgabe von Alkali-Ionen, insbesondere Natrium, sowohl zeitlich als auch räumlich (über die Beschichtungsfläche) homogen über den gesamten Halbleiterdepositionsschritt, ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung von hocheffizienten auf Verbundhalbleiter basierte Solarzellen, insbesondere unter der Bedingung, dass zusätzliche Prozessschritte, wie das Zudotieren von Natrium, wegfallen sollen, um einen kosteneffizienten Prozess zu realisieren.The selective delivery of alkali ions, particularly sodium, both in time and space (over the coating surface) homogeneously throughout the semiconductor deposition step, is critically important for the fabrication of high efficiency compound solar cell based solar cells, especially under the condition that additional process steps, such as the addition of sodium, should be eliminated to realize a cost-effective process.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass dies nur mit Substratgläsern erreicht wird, die keine räumliche Phasenentmischung mit alkalireichen bzw. alka- iiarmen~Bereichen-aufweisen, invGegensatz zu beispielsweise Bor-haltigen AIu- minosilikatgläsern oder wasserarmen Alumosilikaten wie in DE 100 05 088, DE 196 16 679, DE 196 16 633 beschrieben. Das Substratglas soll Na-Ionen/Na- Atome bei Temperaturen um den Tg abgeben, was eine erhöhte Beweglichkeit des Alkali-Ions voraussetzt. Überraschenderweise zeigte sich, dass die Beweglichkeit der Alkali-Ionen in wasserhaltigen Gläsern, wie diejenigen nach obiger Zusammensetzung, trotz eines erhöhten Anteils an Erdalkali-Ionen, welche die Forderung von hohem Tg bei gleichzeitig hoher thermischer Dehnung erfüllen, allerdings die Diffusion der kleineren Natrium-Ionen in der Glasstruktur durch die Erdalkali-Ionen behindern, weiterhin gegeben ist. Die lonenbeweglichkeit der Natrium-Ionen und deren leichtere Austauschbarkeit in den erfindungsgemäßen Gläsern wird vor allem durch den Restwassergehalt in der Glasstruktur positiv beeinflusst, was mit der Auswahl von wasserreichen Rohstoffen im Kristallgitter wie z.B. durch AI(OH)3 statt AI2O3 und durch sauerstoffreiche Gasatmosphäre im Schmelzprozess, auch unter Oxyfuel bekannt, realisiert werden kann. Erstaunlicherweise zeigte sich, dass auch das gefundene Verhältnis von Siθ2/Al2θ3 notwendig ist für eine hohe Alkali-Ionenbeweglichkeit.Surprisingly, it has been found that this is achieved only with substrate lenses that no spatial phase separation with alkali-rich or alkaline iiarmen ~ areas-comprise invGegensatz for example, boron-containing AIu- minosilikatgläsern or low water aluminosilicates as described in DE 100 05 088 DE 196 16 679, DE 196 16 633. The substrate glass should release Na ions / Na atoms at temperatures around the Tg, which requires an increased mobility of the alkali ion. Surprisingly, it was found that the mobility of the alkali ions in water-containing glasses, such as those of the above composition, despite the increased proportion of alkaline earth ions, which meet the requirement of high Tg with high thermal expansion, however, the diffusion of smaller sodium Ions in the glass structure by the alkaline earth ions hinder, continues to exist. The ion mobility of the sodium ions and their easier exchangeability in the glasses according to the invention is positively influenced especially by the residual water content in the glass structure, which with the selection of water-rich raw materials in the crystal lattice such as by Al (OH) 3 instead of Al 2 O 3 and by Oxygen-rich gas atmosphere in the melting process, also known as oxyfuel, can be realized. Surprisingly, it was found that the found ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 is also necessary for a high alkali ion mobility.
Für Substrate, die keine Phasenentmischung aber eine hohe Alkali-Ionen Beweglichkeit zeigen, können die Alkali-Ionen räumlich homogen über die gesamte Substratfläche an die darüber liegenden Schichten abgegeben werden bzw. durch diese hindurch diffundieren. Die Abgabe der Alkali-Ionen bricht auch bei höheren Temperaturen, > 600 0C, nicht ab. Zusätzlich zeigt ein solches Substrat verbesserte Haftungseigenschaften für die darauf abgeschiedenen Funktionsschichten aus Molybdän und Verbundhalbleitern. In einem Hochtemperaturpro- zess können Verbundhalbleiterschichten ideal aufwachsen, d.h. es kann ein homogenes Kristallwachstum über die Fläche und damit verbunden eine höhere Ausbeute realisiert werden, sowie die Gewährleistung eines genügend großen Alkali-Ionen Reservoirs während des Depositionsprozesses. In einem weiteren Konditionierungsschritt können gezielt Alkali-Ionen im oberen Bereich-des Glassubstrats^ausgetauscht werdenL beispielsweise K, Li durch Na oder umgekehrt. Damit können Gläser verschiedener Zusammensetzungen, s. Tabelle 1 , so konditioniert werden, dass sie eine räumlich und zeitlich homogene Alkali-Ionen-Abgabe genau einer Spezies ermöglichen. Dünnschichtsolarzellen auf Verbundhalbleiterbasis, insbesondere in einem Hochtemperaturschritt unter korrosiver Atmosphäre hergestellt, müssen eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Unerwarteterweise zeigte sich, dass eine hydrolytische Beständigkeit der oben beschriebenen Gläser von < 0,5 μg/g Na2O die Korrosionsgefahr erheblich reduziert. Die hydrolytische Beständigkeit wird dabei nach DIN ISO 719 bestimmt. Dabei wird das Substratglas zu Glasgries mit 300 bis 500 μm Korngröße gemahlen und dann für eine Stunde in 98 0C heißes, demineralisiertes Wasser gegeben. Die wässrige Lösung wird dann auf den Alkaligehalt analysiert.For substrates which show no phase separation but high alkali-ion mobility, the alkali ions can be spatially homogeneously distributed over the entire substrate surface to the overlying layers or diffused therethrough. The release of the alkali ions does not break even at higher temperatures,> 600 0 C, not from. In addition, such a substrate exhibits improved adhesion properties for the functional layers of molybdenum and compound semiconductors deposited thereon. In a high-temperature process, compound semiconductor layers can grow up ideally, ie homogeneous crystal growth over the surface and thus a higher yield can be realized, as well as ensuring a sufficiently large alkali ion reservoir during the deposition process. In a further conditioning step alkali ions can be exchanged L K example, specifically in the upper region-of the glass substrate ^, Li by Na or vice versa. Thus glasses of different compositions, s. Table 1, are conditioned so that they allow a spatially and temporally homogeneous alkali ion delivery of exactly one species. Composite semiconductor thin film solar cells, especially those produced in a high temperature step under a corrosive atmosphere, must have a high corrosion resistance. Unexpectedly, it was found that a hydrolytic resistance of the above-described glasses of <0.5 μg / g Na 2 O significantly reduces the risk of corrosion. The hydrolytic resistance is determined according to DIN ISO 719. Here, the substrate glass is ground into Glasgries with 300 to 500 microns grain size and then placed for one hour in 98 0 C hot, demineralized water. The aqueous solution is then analyzed for the alkali content.
Diese Gläser zeigen, wie Kalknatrongläser auch, eine Reaktion mit SO2/SeO2, allerdings im Gegensatz zu den Kalknatrongläsern jedoch ohne eine sichtbare Korrosion der Oberfläche, wie beim Abreinigen mit Wasser zu sehen ist. In Figur 2 ist eine korrodierte Glasoberfläche (links abgebildet; Kalknatronsubstratglas) im Vergleich zu der nicht korrodierten Oberfläche (rechts abgebildet) eines Substratglases, wie es für eine erfindungsgemäße Solarzelle geeignet ist, gezeigt. Grund ist neben der hohen Mobilität der Natriumionen im Glasgitter, die bei der Reaktion mit den Chalkogenid-Oxiden aus tieferen Schichten unter der Oberfläche nachgeliefert werden die Phasenstabilität des Glases. Dadurch ist eine homogene Diffusion der Natriumionen zur Oberfläche möglich und verhindert somit eine sichtbar korrodierte Oberfläche.These glasses, like soda-lime glasses, show a reaction with SO2 / SeO2, but in contrast to the soda-lime glasses, without any visible corrosion of the surface, as when cleaning with water. In Figure 2, a corroded glass surface (pictured on the left, soda lime substrate glass) is shown as compared to the uncorroded surface (shown on the right) of a substrate glass as appropriate for a solar cell according to the present invention. This is due not only to the high mobility of the sodium ions in the glass lattice, which are replenished in the reaction with the chalcogenide oxides from deeper layers below the surface, the phase stability of the glass. This allows a homogeneous diffusion of the sodium ions to the surface and thus prevents a visibly corroded surface.
Die sogenannte Stiffness (Formstabilität bei hohen Temperaturen > 600 "C) kann u.a. durch die Differenz von Ew-Tg. (in 0C) abgeschätzt werden. Anforderung von mind. 200 0C sind notwendig, um dünnere Substrate als die heute üblichen 3-bis-375-mmrdτh. < 2,5-mm,_zu erlauben. Dadurch lässt sich beispielsweise die Abkühlstrecke nach dem Beschichtungsprozess von > 600 0C auf Raumtemperatur deutlich reduzieren, was Prozesszeiten und Investitionskosten reduziert. Dünnere Substratgläser bedeuten ebenso geringere Material- und Herstellkosten für das Substratglas selbst, was die Preisdifferenz gegenüber Kalknat- ronglas verringert und somit zur einer besseren Wettbewerbsfähigkeit dieser Substratgläser beiträgt.The so-called stiffness (dimensional stability at high temperatures> 600 ° C.) can be estimated, inter alia, by the difference between Ew-Tg (in 0 ° C.) Requirement of at least 200 ° C. is necessary in order to obtain thinner substrates than the currently used 3 bis-3 7 5-mm r dτh. Thinner substrate glasses <2.5 mm, _zu allow. as a result, the cooling section can be, for example, after the coating process of> 600 0 C significantly reduce to room temperature, which reduces processing time and investment costs. also mean lower Material and manufacturing costs for the substrate glass itself, which is the price difference compared to Kalknat- reduces glass lens and thus contributes to a better competitiveness of these substrate glasses.
Das Substratglas obiger Zusammensetzung wurde so hergestellt und konfektioniert, dass es eine hohe Formstabilität bei Temperaturen > 600 0C aufweist. Diese Formstabilität kann man durch die sogenannte Stiffness ausdrücken, welche u.a. durch den Elastizitäts-Modul der Gläser von > 70 kN/mm2 und durch die große Differenz von Erweichungspunkt (EW) und Transformationspunkt (Tg) angedeutet ist. Überraschenderweise zeigte sich, dass bei einem Temperaturunterschied von Ew-Tg von > 200 0C eine Reduktion der Substratglasdicke vom Stand der Technik mit 3 bis 3,5 mm auf kleiner 2,5 mm ohne Verlust der Steifigkeit des Substratglases ermöglicht.The substrate glass of the above composition was prepared and formulated so that it has a high dimensional stability at temperatures> 600 0 C. This dimensional stability can be expressed by the so-called stiffness, which is indicated, inter alia, by the modulus of elasticity of the glasses of> 70 kN / mm 2 and by the large difference between softening point (EW) and transformation point (Tg). Surprisingly, it was found that with a temperature difference of Ew-Tg of> 200 0 C allows a reduction of the substrate glass thickness of the prior art with 3 to 3.5 mm to less than 2.5 mm without loss of rigidity of the substrate glass.
Durch diese Substratglasdickenreduktion kann ein schnellerer Wärmetransport durch das Substratglas realisiert werden, was eine beschleunigte Prozessführung bei dem Halbleiterdepositionsprozess erlaubt und damit Einsparungen in der Prozesszeit. Insbesondere lässt sich dadurch beispielsweise die Abkühlstrecke deutlich reduzieren, was neben den Prozesszeiten auch die Investitionskosten deutlich reduziert. Dünnere Substratgläser bedeuten ebenso geringere Material- und Herstellkosten für das Substratglas selbst, und können zu einer positiveren Kostenbilanz bei der Herstellung der Solarzellen führen durch verlustfreien Transport der Substratgläser inklusive Schichten in In-Iine-Anlagen. Verbogenes Substratglas ist problematisch beispielsweise an Prozesskammer-Schleusen und kann zu einem deutlichen Ausbeuteverlust führen. Zusätzlich ist es für den Laminationsprozess von enormen Vorteil, wenn die Solarzellen nicht verbogen sind, auch hier kann nicht ganz planes Substratglas zu einem Ausbeuteverlust führen.By this substrate glass thickness reduction, a faster heat transfer through the substrate glass can be realized, which allows accelerated process control in the semiconductor deposition process and thus savings in process time. In particular, this allows, for example, the cooling section to be significantly reduced, which, in addition to the process times, also significantly reduces the investment costs. Thinner substrate glasses also mean lower material and manufacturing costs for the substrate glass itself, and can lead to a more positive cost balance in the production of solar cells through lossless transport of the substrate glasses including layers in in-line systems. Bent substrate glass is problematic, for example, in process chamber locks and can lead to a significant yield loss. In addition, it is of enormous advantage for the lamination process, if the solar cells are not bent, again, not quite planar substrate glass can lead to a yield loss.
In-Figur 34stder_Einfluss^derJ3|as_kojτipjDnenten und vor allem der Einfluss der Komponente AI2O3 eines Alumosilikatsubstratglases auf den Elastizitätsmodul (kN/cm2) dargestellt (nach http://glassproperties.com). Neben der Grundbeweglichkeit der Alkali-Ionen sind auch die Diffusionspfade der darüber liegenden Schichten von entscheidender Bedeutung, beispielsweise durch die Rückkontaktschicht hindurch in die Halbleiterschicht hinein. Erstaunlicherweise wurde gefunden, dass die Vermeidung von Strukturstufen und/oder -brüchen in der Rückkontaktschicht, wie in der Erfindung beispielsweise durch eine einstufige Rückkontakt-Schichten gelöst, hierfür von zentraler Bedeutung ist. Dies ist insbesondere für die Gewährleistung einer räumlich und zeitlich homogenen Alkali-Ionen Verteilung wichtig.In figure 34stder_Einfluss ^ derJ3 | shown as_kojτipjDnenten and especially the influence of the component Al2O3 a Alumosilikatsubstratglases on the modulus of elasticity (kN / cm 2) (after http://glassproperties.com). In addition to the basic mobility of the alkali ions, the diffusion paths of the overlying layers are of crucial importance, for example through the back contact layer into the semiconductor layer. Surprisingly, it has been found that the avoidance of structural steps and / or fractures in the back contact layer, as solved in the invention for example by a single-stage back contact layers, is of central importance for this purpose. This is particularly important for ensuring a spatially and temporally homogeneous alkali-ion distribution.
Es ist bekannt, dass Substratglasoberflächen mit der Zeit altern und ihre ursprünglich aktive Oberfläche verlieren. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung der Glasoberfläche mit einem Metallfilm diese Aktivität konserviert. Dies gilt insbesondere für eine Beschichtung mit Wolfram, Silber, Vanadium, Tantal , Chrom, Nickel, besonders bevorzugt Molybdän. Der Metallfilm weist eine Dicke von 0,2 bis 5 μm auf, besonders bevorzugt 0,5 bis 1 μm und eine Leitfähigkeit von 0,6 x 105 bis 2 x 105Ohm.cm, besonders bevorzugt 0,9 x 105 bis 1 ,4 x 105Ohm.cm.It is known that substrate glass surfaces age over time and lose their originally active surface. Surprisingly, it has been found that coating the glass surface with a metal film preserves this activity. This is especially true for a coating with tungsten, silver, vanadium, tantalum, chromium, nickel, more preferably molybdenum. The metal film has a thickness of 0.2 to 5 microns, more preferably 0.5 to 1 micron and a conductivity of 0.6 x 10 5 to 2 x 10 5 Ohm.cm, more preferably 0.9 x 10 5 bis 1, 4 x 10 5 ohm.cm.
Des weiteren ergab sich erstaunlicherweise, dass aufgrund der nicht beobachtbaren Phasentrennung (wie oben beschrieben) der hochtemperaturstabilen Substratgläser obiger Zusammensetzung mit einer entsprechenden Stabilität gegen Kristallisation eine besonders gute Haftung des Metallrückkontakts auf den Substratgläsern. Häufig beobachtete Haftungsprobleme bei Kalknatrongläsern, wie beispielsweise das Ablösen der Schicht an einigen Stellen, auch Schokoladenpapier genannt, ergaben sich nicht für mit dem Metallrückkontakt erfindungsgemäß beschichtete Substrate, besonders bevorzugt wenn der Metallrückkontakt ein Einschichtsystem mit wenigen oder keinen Strukturstufen ist. Überraschenderweise j/vurde gefunden, dass die nicht beobachtete Phasentrennung der o.g. Substratgläser auch zu einer exzellenten Haftung der CIGS-Schicht auf dem Metallrückkontakt führt im Vergleich zu herkömmlichen Substraten. Im sogenannten sequentiellen Prozess wurden auf Kalknatronglas häufig Hohlräume an der Grenzfläche CIGS-Schicht /Rückkontakt gefunden, sogenannte Tiefgaragen, nur kleine Inseln dienen der Haftung. Im Gegensatz dazu ist für die erfindungsge- mäßen Solarzellen auf Basis der o.g. Substratgläsern insbesondere in Verbindung mit einem Hochtemperaturschritt ein vollflächige Haftung gefunden wurden, dies ist zurückzuführen auf die räumlich und zeitlich homogene Natrium-Ionen Abgabe der Substratgläser und der durch die Vermeidung von Strukturstufen räumlich zeitlich homogene Diffusion dieser durch die Metallrückkontaktschicht.Furthermore, it was surprisingly found that due to the unobservable phase separation (as described above) of the high temperature stable substrate glasses of the above composition with a corresponding stability against crystallization a particularly good adhesion of the metal back contact on the substrate glasses. Frequently observed adhesion problems with soda lime glasses, such as the detachment of the layer in some places, also called chocolate paper, did not result for substrates coated with the metal back contact according to the invention, particularly preferred when the metal back contact is a single layer system with few or no structural steps. Surprisingly, it has been found that the unobserved phase separation of the above-mentioned substrate glasses also leads to an excellent adhesion of the CIGS layer on the metal back contact compared to conventional substrates. In the so-called sequential process cavities were often found on soda-lime glass at the interface CIGS layer / back contact, so-called underground garages, only small islands serve the adhesion. In contrast, for the invention solar cells on the basis of the above-mentioned substrate glasses, in particular in conjunction with a high temperature step, a full-surface adhesion were due to the spatially and temporally homogeneous sodium ions delivery of the substrate glasses and spatially temporally homogeneous by avoiding structural steps spatially temporal diffusion of these through the metal back contact layer.
Ein Substratglas mit einem höheren Tg als Standard Kalknatronglas ermöglicht höhere Prozesstemperaturen während der Halbleiterdeposition. Es ist bekannt, dass höhere Abscheidetemperaturen während der Chalkopyritbildung zu einer deutlichen Minimierung von Kristallfehlphasen, bis unterhalb der Nachweisgrenze, wie die sogenannte CuAu-Ordnung, führen können. Dies gilt im Besonderen für den oben beschriebenen sequentiellen Prozess. Überraschenderweise erfüllen die Halbleiterschichten der erfindungsgemäßen Solarzellen mit einem Substratglas obiger Zusammensetzung und wobei eine Halbleiterschicht bei Temperaturen > 600 0C deponiert wurde, die Forderung nach einer höheren Kristallinität und damit weniger Defekten. Die ist in Figur 4 anhand der Ramaπspektreπ zu sehen. In Figur 4 ist die A1-Mode einer CIGS-Absorberschicht erfindungsgemäß bei hohen Temperaturen abgeschieden und die A1-Mode einer auf Kalknatronglas abgeschiedenen CIGS-Schicht gezeigt. Die geringere Halbwertsbreite der erfindungsgemäßen Solarzelle ist ein direktes Maß für bessere Kriställqualität und damit weniger Defekte. Die Mode zeigt bei der erfindungsgemäßen CIGS- Schicht im Hochtemperaturschritt (T > 550 0C) abgeschieden auf Basis eines Substratglases der beschriebenen Zusammensetzung eine geringere Halbwertsbreite als bei einer CIGS-Schicht im konventionellen Prozess hergestellt auf einem Kalknatronsubstratglas (größere Halbwertsbreite).A substrate glass with a higher Tg than standard soda-lime glass allows for higher process temperatures during semiconductor deposition. It is known that higher deposition temperatures during chalcopyrite formation can lead to a significant minimization of crystal imperfections, to below the detection limit, such as the so-called CuAu order. This is especially true for the sequential process described above. Surprisingly, the semiconductor layers of the solar cells according to the invention with a substrate glass of the above composition and wherein a semiconductor layer was deposited at temperatures> 600 0 C meet the demand for a higher crystallinity and thus fewer defects. This can be seen in FIG. 4 on the basis of the Ramaπspektreπ. In FIG. 4, the A1 mode of a CIGS absorber layer is deposited according to the invention at high temperatures, and the A1 mode of a CIGS layer deposited on soda-lime glass is shown. The lower half-width of the solar cell according to the invention is a direct measure of better crystal quality and thus fewer defects. The mode shows in the CIGS layer according to the invention in the high-temperature step (T> 550 0 C) deposited on the basis of a substrate glass of the composition described lower half-width than a CIGS layer in the conventional process prepared on a Kalknatronsubstratglas (larger half-width).
Erstaunlicherweise zeigte sich, dass höhere Prozesstemperaturen auch eine schnellere Prozessierung ermöglichen. Insbesondere Prozesse an der Kristallbildungsfront laufen schneller ab und beispielsweise der Einbau der Elemente auf die entsprechenden Kristallplätze wird beschleunigt. Im Falle der sequentiellen Prozessierung ist ein wesentlicher Mechanismus die Diffusion der einzelnen - -Surprisingly, it has been shown that higher process temperatures also allow for faster processing. In particular, processes at the crystal formation front run faster and, for example, the incorporation of the elements on the corresponding crystal sites is accelerated. In the case of sequential processing, one essential mechanism is the diffusion of the individual - -
Atome zur Oberfläche, an welcher die Reaktionen mit den Chalkogen-Atomen stattfinden. Eine höhere Temperatur bedingt eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit der Elemente an die Reaktionsfläche, und damit einen schnelleren Transport der für die Kristallbildung benötigten Elemente an die Kristallisationsfront. Typische Aufheizrampenrampen sind im Bereich 5 bis 10 K/s, bei Haltezeiten auf Maximaltemperatur von ca. 5 Minuten und typischen Abkühlrampen im Bereich von 3 bis 4 K/s. Überraschenderweise wurde gefunden, dass basierend auf den Substratgläsern mit obiger Zusammensetzung/Aufheizrampen > 10 K/s realisiert werden konnten und vor allem Abkühlprofile > 4 K/s, besonders bevorzugt > 5 K/s. Des weiteren wurde gefunden, dass trotz beschleunigter Aufheiz- und Abkühlrampen und einer Maximaltemperatur deutlich größer 550 0C keine Ausgasungen aus den Substratgläsern mit obiger Zusammensetzung gefunden wurden im Gegensatz zu herkömmlichen Substratgläsern wie beispielsweise Kalknatrongläsern.Atoms to the surface where the reactions with the chalcogen atoms take place. A higher temperature causes a higher diffusion rate of the elements to the reaction surface, and thus a faster transport of the elements required for crystal formation to the crystallization front. Typical ramp ramps are in the range 5 to 10 K / s, with hold times to maximum temperature of about 5 minutes and typical cooling ramps in the range of 3 to 4 K / s. Surprisingly, it was found that based on the substrate glasses with the above composition / heating ramps> 10 K / s could be realized and especially cooling profiles> 4 K / s, more preferably> 5 K / s. Furthermore, it was found that despite accelerated heating and cooling ramps and a maximum temperature significantly greater than 550 0 C no outgassing from the substrate glasses were found with the above composition in contrast to conventional substrate glasses such as soda lime glasses.
Figur 5 zeigt eine nach dem Stand der Technik hergestellte Solarzelle, insbesondere eine REM-Aufnahme eines Querschnitts durch den zonaren Aufbau einer mehrlagigen Molybdänschicht (dreischichtigen Prozessfolge) auf einem Substratglas (links im Bild). Sichtbar sind hier drei Stufen in der Molybdänschicht (Bildmitte).FIG. 5 shows a solar cell produced according to the prior art, in particular an SEM micrograph of a cross section through the zonal structure of a multilayer molybdenum layer (three-layer process sequence) on a substrate glass (left in the image). Visible here are three steps in the molybdenum layer (center).
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Solarzelle, insbesondere eine REM- Aufnahme eines Querschnitts durch den kolumnaren, stufenlosen Aufbau einer Molybdänschicht einer erfindungsgemäßen Solarzelle, wobei die Molybdänschicht mittels eines Einschichtungsprozesses aufgebracht wurde. FIG. 6 shows a solar cell according to the invention, in particular a SEM micrograph of a cross section through the columnar, stepless structure of a molybdenum layer of a solar cell according to the invention, the molybdenum layer being applied by means of a single-layering process.

Claims

Patentansprüche claims
1. Dünnschichtsolarzelle, umfassend wenigstens ein Na2O-haltiges Mehrkom- ponentensubstratglas, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratglas nicht phasenentmischt ist und einen Gehalt an ß-OH von 25 bis 80 mMol/l aufweist.1. thin-film solar cell comprising at least one Na 2 O-containing multi-component substrate glass, characterized in that the substrate glass is not phase-separated and has a content of β-OH of 25 to 80 mmol / l.
2. Dünnschichtsolarzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Substratglas2. Thin-film solar cell according to claim 1, characterized in that the substrate glass
- eine Transformationstemperatur Tg von größer als 550 0C, insbesondere von größer als 600 0C aufweist und/oder,a transformation temperature Tg of greater than 550 ° C., in particular of greater than 600 ° C., and / or
- einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α2o/3oo von größer 7,5 x 10"6ZK, insbesondere von 8,0 x 10"6/K bis 9,5 x 10"6/K, im Temperaturbereich von 20 0C bis 300 0C aufweist und/oder,- a coefficient of thermal expansion α 2 o / 3 oo of greater than 7.5 x 10 "6 ZK, in particular from 8.0 x 10 " 6 / K to 9.5 x 10 "6 / K, in the temperature range from 20 0 C to 300 0 C and / or,
- weniger als 1 Gew.-% B2O3, weniger als 1 Gew.-% BaO und weniger als in Summe 3 Gew.-% CaO + SrO + ZnO enthält und/oder,contains less than 1% by weight of B 2 O 3 , less than 1% by weight of BaO and less than 3% in total of CaO + SrO + ZnO and / or
- ein molares Verhältnis der Substratglaskomponenten (Na2O+K2O)/(MgO+CaO+SrO+BaO) größer als 0,95 aufweist und/oderhas a molar ratio of the substrate glass components (Na 2 O + K 2 O) / (MgO + CaO + SrO + BaO) greater than 0.95 and / or
- ein molares Verhältnis der Substratglaskomponenten SiO2/AI2O3 von kleiner als 8,8, insbesondere von kleiner 7 aufweist.- Has a molar ratio of the substrate glass components SiO 2 / Al 2 O 3 of less than 8.8, in particular of less than 7.
3. Dünnschichtsolarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,3. Thin-film solar cell according to claim 1 or 2, characterized
"dass die Solarzelle-eine-planar^gew.ölbt^spJiärisch oder zylindrisch ausgebildete Dünnschichtsolarzelle ist. "That the solar cell-a-planar ^ ^ gew.ölbt spJiärisch or cylindrically shaped thin-film solar cell.
4. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Na2O-haltigen Mehrkomponentensubstratglas, wobei das Substratglas einen Gehalt an ß-OH von 25 bis 80 mMol/l aufweist und wobei das Substratglas nicht phasenentmischt ist, b) Aufbringen einer Metallschicht auf das Substratglas, wobei die Metalischicht einen elektrischen Rückkontakt der Dünnschichtsolarzelle bildet, c) Aufbringen einer intrinsisch p-leitenden polykristallinen Schicht aus einem Verbundhalbleitermaterial, insbesondere aus einem CIGS- Verbundhalbleitermaterial, umfassend mindestens einem Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur > 550 0C, d) Aufbringen eines p/n-Übergangs. 4. A process for producing a thin-film solar cell, characterized in that the process comprises the following steps: a) providing a Na 2 O-containing multicomponent substrate glass, wherein the substrate glass has a content of β-OH of 25 to 80 mmol / l and wherein the substrate glass is not phase-separated, b) applying a metal layer to the substrate glass, wherein the metal layer is an electrical C) applying an intrinsically p-type polycrystalline layer of a compound semiconductor material, in particular of a CIGS compound semiconductor material, comprising at least one high-temperature step at a temperature> 550 0 C, d) applying a p / n transition.
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