EP2433302A2 - Teiltransparente flexible dünnschichtsolarzellen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Teiltransparente flexible dünnschichtsolarzellen und verfahren zu ihrer herstellung

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EP2433302A2
EP2433302A2 EP10734025A EP10734025A EP2433302A2 EP 2433302 A2 EP2433302 A2 EP 2433302A2 EP 10734025 A EP10734025 A EP 10734025A EP 10734025 A EP10734025 A EP 10734025A EP 2433302 A2 EP2433302 A2 EP 2433302A2
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EP
European Patent Office
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film solar
solar cells
flexible
thin
flexible thin
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10734025A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Ragnow
Alexander Braun
Karsten Otte
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OC3 AG
Original Assignee
Solarion AG Photovotaik
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
    • H10F77/169—Thin semiconductor films on metallic or insulating substrates
    • H10F77/1698—Thin semiconductor films on metallic or insulating substrates the metallic or insulating substrates being flexible
    • H10F77/1699—Thin semiconductor films on metallic or insulating substrates the metallic or insulating substrates being flexible the films including Group I-III-VI materials, e.g. CIS or CIGS on metal foils or polymer foils
    • H—ELECTRICITY
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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/30—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells
    • H10F19/31—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells having multiple laterally adjacent thin-film photovoltaic cells deposited on the same substrate
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    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a process for producing semi-transparent flexible thin-film solar cells, which can be used both in architecture and in the automotive industry.
  • thin-film solar cells are connected to a solid support, usually glass, and scored with laser beams.
  • the result is an opening through which light can pass through and thus creates the transparency.
  • transparent carriers in particular with glass as carrier.
  • expensive production technology such as Laser technology, necessary to create crossing points.
  • crystalline silicon wafers are milled in such a way that a cross lattice is formed.
  • the crossing points are characterized by total material removal, so that here creates a transparency that is desired.
  • the invention aims to provide transparent or partially transparent thin-film solar cells in an economically justifiable manner. This is to be achieved by an intelligent procedure of production.
  • the thin-film solar cells according to the invention should have a balanced ratio of optical transparency and electrical power in order to meet the respective specific requirements of the field of application.
  • the invention has the object of specifying a method for producing transparent or partially transparent thin-film solar cells on a flexible support and to produce transparent or partially transparent thin-film solar cells by this method.
  • the object is achieved in that first a flexible thin-film solar cell is produced in a conventional manner by layer construction on a flexible support.
  • the flexible carrier may be a plastic such as polyimide, metal foil, thin ceramic, textile or the like.
  • the layer structure of the thin-film solar cell can lead to CuInSe 2 (CIS), Cu (In 1 Ga) Se 2 (CIGS), Cu (In 1 Ga) (Se 1 S) 2 (CIGSS) or CuGaSe 2 (CGS) or comparable thin-film solar cells.
  • flexible thin-film solar cells are processed with a tool in such a way that the entire cell structure, including the flexible carrier, is broken through. Suitable for this is, for example, a punch that creates openings as a pattern through the cell. The openings ensure transparency, they act as windows for the light, while the framework of the thin-film solar cells ensures their stability.
  • Particularly suitable tools are rotary punching tools, but also micro drills or laser beam arrangements.
  • the ratio of areas between the removed and remaining thin-film solar cell is 5: 1 to 1:60. Preference is given to a ratio of 1: 8. This ensures stability as well as transparency and limits the loss of energy conversion capacity.
  • the stamped thin-film solar cells are laminated between transparent rigid sheets or films, so that a rigid or flexible stability is ensured, which may be required in a number of applications. Extensive tests have determined which stamping patterns are particularly suitable for ensuring the stability of the flexible thin-film solar cell, ensuring transparency to the desired extent and keeping the energy yield at the required level.
  • This example 1 is not inventive and describes the manufacturing process of a CIGS thin-film solar cell, which is subsequently made partially transparent. The procedure is as follows:
  • a buffer layer over its entire area, preferably consisting of cadmium sulfide (CdS) in the wet-chemical bath, e.g. to DE 10 2007 036 715
  • the following variants have been realized: on (a): in addition to polyimide film, other temperature-stable polymer films, metal foils, glass substrates or composite materials (eg glass fiber reinforced textiles) have been used as substrates.
  • the molybdenum layer can also consist of several metal layers.
  • the compounds CuGaSe 2 , CuInSe 2 , CuGaS 2 , CuInS 2 , Cu (In 1 Ga) (S 1 Se) 2 have also been used as the photoactive layer.
  • the photoactive layer can also be represented by a printing process, a galvanic deposition or the sputtering of the metals and Cu, In, Ga and subsequent selenization.
  • the CdS layer has been replaced by alternative buffers such as ZnS, ZnSe, InS, InSe, ZnMgO, etc.
  • the process for producing partially transparent thin-film solar cells is based on functional thin-film solar cells and treats them as follows.
  • process step g) application of the contact grid
  • the cells are separated into required sizes by means of a rotary die.
  • areas are punched out between the contact fingers with the same rotary die to achieve partial transparency.
  • the punched out areas can have any shapes such as rectangles, squares, stars, crosses, etc. (each with or without rounded corners). Preferred shapes are circles. For circles there is the least risk of tearing and thus damage to the flexible thin-film solar cell.
  • the entire layer structure of the solar cell including the flexible substrate is severed.
  • any mechanical punching such as punching
  • Flat bed punches, micro drills or lasers are used.
  • the punching tool used is a rotary die cutter. After treatment, the cells have the following parameters.
  • Example cell 1 Example cell 2
  • the punching can also take place before the application of the contact fingers (process step g) or before the structuring trenches (process step f) are produced.
  • Example 3 The flexible thin-film solar cells are fixed and contacted between two transparent rigid bearing surfaces, namely glass plates.
  • the thin-film solar cells are fixed and contacted between two transparent flexible bearing surfaces, namely transparent plastic films.

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Die Erfindung hat die Aufgabe, transparente und teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird gelöst, indem flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet werden, dass der gesamte Zellenaufbau durchstoßen wird, durch die geschaffenen Öffnungen die Transparenz gesichert ist und die Ausbeute der Energiewandlung hoch bleibt. Ein Beispiel ist eine flexible Dünnschichtsolarzelle, die der Abbildung entspricht.

Description

Teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung teiltransparenter flexibler Dünnschichtsolarzellen, die sowohl in der Architektur als auch in der Autoindustrie angewendet werden können.
Es ist bereits bekannt, teiltransparente Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Zu diesem Zweck werden Dünnschichtsolarzellen auf einem festen Träger, meistens Glas, verschaltet und mit Laserstrahlen geritzt. Es entsteht eine Öffnung, durch welche Licht durchtreten kann und damit die Transparenz erzeugt. Dies funktioniert naturgemäß nur bei transparenten Trägern, insbesondere bei Glas als Träger. Zusätzlich ist die Verwendung einer teuren Produktionstechnologie, wie z.B. Lasertechnologie, zur Erzeugung der Kreuzungspunkte notwendig.
Es ist weiterhin bekannt, dass kristalline Silizium-Wafer dergestalt gefräst werden, dass ein Kreuzgitter entsteht. Dabei sind die Kreuzungspunkte durch totalen Materialabtrag gekennzeichnet, so dass hier eine Transparenz entsteht, die gewünscht ist.
Es ist bisher nicht bekannt, teiltransparente Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Trägermaterial herzustellen.
Die Erfindung hat das Ziel, in ökonomisch vertretbarer Weise transparente oder teiltransparente Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung zu stellen. Das soll durch einen intelligenten Verfahrensablauf der Herstellung erreicht werden. Die erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellen sollen ein ausgewogenes Verhältnis von optischer Transparenz und elektrischer Leistung aufweisen, um den jeweiligen spezifischen Anforderungen des Einsatzgebietes gerecht zu werden.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung transparenter oder teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen auf einem flexiblen Träger anzugeben und nach diesem Verfahren transparente oder teiltransparente Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zunächst eine flexible Dünnschichtsolarzelle in an sich bekannter Weise durch Schichtaufbau auf einem flexiblen Träger hergestellt wird. Der flexible Träger kann dabei ein Kunststoff wie Polyimid, Metallfolie, dünne Keramik, Textil oder dergleichen sein. Der Schichtaufbau der Dünnschichtsolarzelle kann zu CuInSe2 (CIS), Cu(In1Ga)Se2 (CIGS), Cu(In1Ga)(Se1S)2 (CIGSS) oder CuGaSe2 (CGS) oder vergleichbaren Dünnschichtsolarzellen führen.
Erfindungsgemäß werden flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet, dass der gesamte Zellenaufbau einschließlich des flexiblen Trägers durchbrochen wird. Geeignet dazu ist zum Beispiel ein Stanzwerkzeug, das Öffnungen als ein Muster durch die Zelle erzeugt. Die Öffnungen gewährleisten die Transparenz, sie wirken als Fenster für das Licht, während das Gerüst der Dünnschichtsolarzellen die Stabilität derselben sichert.
Als Werkzeug besonders geeignet sind Rotationsstanzwerkzeuge, aber auch Mikro- bohrer oder Laserstrahlanordnungen.
Das Verhältnis der Flächen zwischen entfernter und verbliebener Dünnschichtsolarzelle beträgt 5:1 bis zu 1 :60. Bevorzugt ist ein Verhältnis von 1:8. Das gewährleistet sowohl Stabilität als auch Transparenz und begrenzt den Verlust an Energiewandlungskapazität.
Die angesprochenen Flächenverhältnisse werden in Abbildung 1 gezeigt.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die gestanzten Dünnschichtsolarzellen zwischen transparenten starren Platten bzw. Folien einlaminiert, so dass eine starre bzw. flexible Stabilität gewährleistet ist, die in einer Reihe von Anwendungsfällen gefordert sein kann. Durch umfangreiche Versuche wurde festgestellt, welche Stanzmuster sich besonders eignen, um einmal die Stabilität der flexiblen Dünnschichtsolarzelle zu sichern, die Transparenz im gewünschten Umfang zu gewährleisten und die Energieausbeute auf erforderlichem Niveau zu halten.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Dieses Beispiel 1 ist nicht erfinderisch und beschreibt den Herstellungsprozess einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle, die nachfolgend teiltransparent gestaltet wird. Es wird wie folgt verfahren:
(a) ganzflächiges Abscheiden einer Molybdänschicht auf einer Polyimidfolie in bekannter Weise mittels DC-Sputtern.
(b) ganzflächiges Abscheiden der photoaktiven Halbleiterleiterschicht (Cu(In1Ga)Se2) mittels Vakuum-Koverdampfung der Elemente Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se).
(c) ganzflächiges Abscheiden einer Pufferschicht, vorzugsweise bestehend aus Cadmiumsulfid (CdS) im nasschemischen Bad, z.B. nach DE 10 2007 036 715
(d) ganzflächiges Abscheiden einer intrinsischen Zinkoxidschicht (i-ZnO) mittels RF- Sputtern.
(e) ganzflächiges Abscheiden einer Aluminium-dotierten Zinkoxidschicht (ZnO:AI) über DC-Sputtern.
(f) Erzeugen von Strukturierungsgräben mittels mechanischem Ritzen.
(g) Aufbringen der Kontaktfinger und Sammelkontakte über Bedruckung mit Polymerpaste mit darin enthaltenen elektrisch leitfähigen Partikeln im Siebdruckverfahren und anschließende Trocknung der gedruckten Paste.
(h) Vereinzeln der Solarzellen in entsprechende Abmessungen mittels Rotationsstanze.
In weiteren Beispielen sind die folgenden Varianten realisiert worden: zu (a): neben Polyimidfolie sind andere temperaturstabile Polymerfolien, Metallfolien, Glassubstrate oder Verbundwerkstoffe (z.B. glasfaserverstärkten Textilien) als Substrate verwendet worden. Die Molybdänschicht kann auch aus mehreren Metallschichten bestehen.
zu (b): neben Cu(In1Ga)Se2 sind als photoaktive Schicht auch die Verbindungen CuGaSe2, CuInSe2, CuGaS2, CuInS2, Cu(In1Ga)(S1Se)2 verwendet worden. Die photoaktive Schicht kann auch durch einen Druckprozess, eine galvanische Abscheidung oder dem Aufsputtern der Metalle und Cu, In, Ga und nachfolgender Selenisierung dargestellt werden. zu (c): die CdS-Schicht ist durch alternative Puffer wie z.B. ZnS, ZnSe, InS, InSe, ZnMgO etc. ersetzt worden. zu (e): ZnO:AI sind z.B. durch ZnO:Ga, ZnO:B oder ITO ersetzt worden zu (f): das Erzeugen der Strukturierungsgraben ist mit Hilfe von Lasern erfolgt zu (g): die Kontaktfinger und Sammelkontakte sind mittels Vakuumverdampfung eines Metalls und der Verwendung von Schattenmasken abgeschieden worden. zu (h): das Vereinzeln der Solarzellen ist mit Lasern oder mechanischen Stanzen wie z. B. Flachbettstanzen erfolgt.
Beispiel 2
Das Verfahren zur Herstellung teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen geht von funktionsfähigen Dünnschichtsolarzellen aus und behandelt diese wie folgt.
Nach dem Prozessschritt g) (Aufbringen des Kontaktgrids) erfolgt das Vereinzeln der Zellen in geforderte Größen mittels einer Rotationsstanze. Gleichzeitig werden mit der selben Rotationsstanze Bereiche zwischen den Kontaktfingern ausgestanzt, um eine Teiltransparenz zu erreichen.
Die ausgestanzten Bereiche können neben den in den Abbildungen dargestellten Mustern beliebige Formen wie z.B. Rechtecke, Quadrate, Sterne, Kreuze etc. aufweisen (jeweils mit oder ohne abgerundete Ecken). Bevorzugte Formen sind Kreise. Bei Kreisen besteht das geringste Risiko des Einreißens und somit Beschädigung der flexiblen Dünnschichtsolarzelle.
Beim Stanzen wird der gesamte Schichtaufbau der Solarzelle inklusive des flexiblen Substrates durchtrennt.
Alternativ zu Rotationsstanzen können für den Trennprozess beliebige mechanische Stanzen wie z.B. Flachbettstanzen, Mikrobohrer oder Laser verwendet werden.
Die im Beispiel verwendete Dünnschichtsolarzelle stammt aus der Produktion der Solarion AG Leipzig und weist vor dem Stanzen die folgenden Parameter auf: Gesamt Fläche = 3906mm2 Transparenz = 0% Leistung = 25OmW
Nunmehr wird die flexible Dünnschichtsolarzelle bearbeitet.
Als Stanzwerkzeug wird eine Rotationsstanze verwendet. Nach erfolgter Behandlung weisen die Zellen die folgenden Parameter auf.
Beispiel Zelle 1 Beispiel Zelle 2
Gesamt Fläche = 3472 mm2 Gesamt Fläche = 3584 mm2
Transparenz = 11 % Transparenz = 9 %
Leistung = 220 mW Leistung = 212 mW
Das Ausstanzen kann erfindungsgemäß auch vor dem Aufbringen der Kontaktfinger (Prozessschritt g) oder vor dem Erzeugen der Strukturierungsgräben (Prozessschritt f) erfolgen.
Beispiel 3 Die flexiblen Dünnschichtsolarzellen werden zwischen zwei transparenten starren Auflageflächen, nämlich Glasplatten, fixiert und kontaktiert.
Alternativ werden die Dünnschichtsolarzellen zwischen zwei transparenten flexiblen Auflageflächen, nämlich transparenten Kunststofffolien fixiert und kontaktiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet werden, dass sie einschließlich Trägerfolie in einem Muster durchstoßen werden, wobei das Muster sowohl die mechanische Stabilität der flexiblen Dünnschichtsolarzelle als auch den Wirkungsgrad der Energiewandlung als auch die angestrebte optische Transparenz gewährleistet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen entfernter und belassener Fläche von flexiblen Dünnschichtsolarzellen zwischen 5:1 und 1 :60 beträgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis wie 1 :8 beträgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster aus regelmäßig angeordneten kreisförmigen Ausstanzungen besteht.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgestanzten Bereiche Rechtecke einschließlich Quadrate oder Sterne oder Kreuze darstellen.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Öffnungen in die flexible Dünnschichtsolarzellen als Werkzeuge Stanzen, Mikrobohreranordnungen oder Laserstrahlanordnungen angewendet werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die teiltransparenten flexiblen Dünnschichtsolarzellen zu Modulen verschaltet werden.
. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen zwischen starren transparenten Trägern fixiert werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen zwischen flexiblen transparenten Trägern fixiert werden.
10. Teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie einschließlich der energiewandelnden Schichten Öffnungen tragen, welche das Durchtreten von Licht ermöglichen und die Teiltransparenz sicherstellen.
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