EP2478559A2 - Serielle verschaltung von dünnschichtsolarzellen - Google Patents

Serielle verschaltung von dünnschichtsolarzellen

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Publication number
EP2478559A2
EP2478559A2 EP10760919.0A EP10760919A EP2478559A2 EP 2478559 A2 EP2478559 A2 EP 2478559A2 EP 10760919 A EP10760919 A EP 10760919A EP 2478559 A2 EP2478559 A2 EP 2478559A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
trench
layer
thin
solar cells
trenches
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10760919.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Otte
Alexander Braun
Steffen Ragnow
Andreas Rahm
Christian Scheit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OC3 AG
Original Assignee
Solarion AG Photovotaik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Solarion AG Photovotaik filed Critical Solarion AG Photovotaik
Publication of EP2478559A2 publication Critical patent/EP2478559A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0465—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate comprising particular structures for the electrical interconnection of adjacent PV cells in the module
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to an interconnection of thin-film solar cells for the production of solar modules.
  • FIG. 1 The basic structure of a thin-film solar cell is shown in Figure 1 using a film-based CIGS thin-film solar cell and comprises the carrier or the substrate which consists for example of a film (1), the metallic back contact layer (2), which in the example is essentially a molybdenum layer comprises the absorber layer of, for example, CIGS (3), a buffer layer of, for example, cadmium sulfide (4), a tunnel contact of, for example, intrinsic zinc oxide, and the transparent front-side electrode formed of a transparent oxide conductor, such as indium-tin-oxide (ITO). or aluminum-doped zinc oxide.
  • ITO indium-tin-oxide
  • Front side electrode also referred to as transparent front contact layer
  • Front side electrode are shown together as one layer (5).
  • Advantageous for the production of thin film solar cells is the continuous process control in the
  • WO 2008/157807 A2 proposed to carry out all structuring steps after producing the complete layer package and to fill them with electrically conductive polymer paste or electrically insulating polymer paste (Figure 2).
  • Figure 3 shows the process flow based on the prior art.
  • the starting point is the layer package of substrate (1) shown in FIG. 3 (a),
  • Figure 3 (b) shown, structured and divided into individual segments.
  • the number of individual segments can initially be chosen arbitrarily. ever
  • Structuring steps are explained below with reference to Figure 3 (b). Structuring A completely separates the transparent front contact layer (5) so that the buffer layers (4) or the absorber layer (3) become visible.
  • Structuring B separates all layers above the back contact layer (2) and thus exposes it.
  • the complete layer package including the back contact layer is separated above the substrate.
  • a connection must be achieved from the back contact layer of one segment to the front contact layer of a following segment.
  • Layers are found or an additional technology can be used. Since in the structuring A, B and C different layer sequences
  • a parameter set can include, for example, the placement force of the needle, the travel speed of the needle, the radius of the needle tip and the number of passes of the needle.
  • Wavelengths usually have a high transmission. The majority of the laser irradiated energy is then in the buffer layers and in the
  • lasers with a shorter wavelength could be selected.
  • the common transparent front contact layers at a wavelength of 266 nm show a high absorption capacity, whereby the radiation emitted by this laser can be well deposited in the transparent front contact layer.
  • These short wavelengths of these lasers are generated by frequency conversion from lasers with longer wavelengths, which requires cost-intensive optical devices with sometimes limited lifetimes.
  • such a "frequency conversion" always with a reduction of the laser intensities and thus a reduction in the
  • the structuring step A separates the front contact layers of two adjacent segments.
  • the buffer and absorber layers are not separated.
  • the absorber layers are usually around
  • transparent front contact layer is sufficient.
  • an electrical connection between the transparent front contact layers of two adjacent individual segments still exists over the absorber layer and the electrically conductive polymer paste filled in the structured trench B (see FIG. 3 (d)).
  • the electrical connection of the individual segments in the sense of a series connection is significantly disturbed in their function.
  • A Short circuits at the connection points of the individual segments are avoided. It is a further object of the invention to reduce the generated by the connection of the individual segments inactive solar cell surface to a minimum and thus to increase the efficiency of the solar cell (aspect B).
  • structuring steps A and B are technologically identical, whereby for A and B now one and the same parameter sets or the same technology in the
  • Structuring can be used. Above that is the danger of a
  • the structuring A is carried out only after the filling of the trenches structured with B and C.
  • the structuring A can be placed arbitrarily close to the edge of the electrically conductive polymer paste.
  • a backfilling of the structured trench A with an electrically insulating paste is then no longer necessary.
  • the starting point is a substrate coated with the individual layers necessary for a thin-film solar cell (see Figure 1 and Figure 6 (a)).
  • the layers on the substrate are then subsequently patterned.
  • the layers are divided into individual segments. For each single segment, 3 structurings (A, B, C) are necessary (see Figure 6 (b)).
  • Structuring A and B separate the layers 3, 4 and 5 completely open so that layer 2 becomes visible.
  • Structuring C completely separates the layers 2, 3, 4 and 5 so that the substrate (1) becomes visible.
  • the separation of the layers can be done for example mechanically with a scriber. It is important to find the optimal parameters for the removal of the individual layers. For example, the force of the needle, the traversing speed of the needle, the radius of the needle tip or the number of passes of the needle can be adjusted.
  • the parameters for the structuring A and B are to be chosen so that damage to the layer 2 is avoided but still a complete
  • Structuring C are to be chosen such that a complete separation of the layer 2 is ensured without the substrate (1) being impaired in its function.
  • the substrate should not be superficially removed.
  • a superficial removal of the substrate is unproblematic as long as the stability of the substrate is not affected.
  • the filling of the trenches produced takes place by means of electrically insulating polymer paste (trenches A and C) and electrically conductive polymer paste (trench B).
  • electrically insulating polymer paste tilt A and C
  • electrically conductive polymer paste trench B
  • Dispensers are used with either a pressurized cartridge or a dispenser with a spindle valve or a dispenser with a jet valve, the latter system higher throughputs in a mass production
  • Polymer paste fills trenches A and C (see Figure 6 (c)).
  • the backfilling of the trenches A and C is to be carried out so that no electrically insulating polymer paste enters the trench B.
  • the trenches A and C must be completely filled without leaving any part of the trenches without backfilling.
  • the electrically conductive paste is applied in trench B and beyond trench C (see Figure 6 (d)).
  • the polymer pastes filled in the trenches must be dried after application in accordance with the manufacturer's instructions. This can be done depending on the polymer system of the pastes in a convection oven or under UV irradiation. Thus, an electrical connection is made between the back contact layer of one segment and the front contact layer of the adjacent segment (see Figure 6 (d)).
  • the electrically conductive polymer paste has to extend so far beyond the non-conductive filling of the trench C that an electrical contact of the transparent
  • Front contact layer is possible.
  • the size of the surface that touches the transparent front contact depends on the type of transparent front contact and the conductive polymer paste.
  • an optimization with regard to electrical losses and shadowing of active cell area must be carried out.
  • the starting point is a 15-75 ⁇ m thick polyimide film as substrate (1). This is coated by magnetron sputtering over the entire surface of about 0.2 to 2 pm thick example with molybdenum. This molybdenum layer serves as the back contact layer (2) of the solar cell. However, it is also possible to use different metals or metal layers as the back contact layer. On this molybdenum layer, the elements copper, indium, gallium and selenium are then deposited by co-evaporation in a vacuum. However, other known technologies can also be used
  • Deposition of the CIGS layer can be used. These include sequential deposition, galvanic deposition, printing technologies or ion beam assisted deposition. On this about 1 to 2 pm thick Cu (ln, Ga) Se 2 layer (absorber layer, photoactive layer (3)), a thin (10 to 100 nm) cadmium sulfide layer is then wet-chemically applied.
  • the CdS layer can also be represented by a vacuum-based technology. It is also inventive to use possible Cd-free buffer layers. On the buffer layer is followed by a thin (10 to 100 nm) intrinsic zinc oxide layer (i-ZnO) applied by means of RF sputtering (4).
  • the AI: ZnO layer can also consist of ITO.
  • the representation of the individual layers can be deposited both in a batch process and in a continuous process (for example roll-to-roll).
  • the polyimide tape provided with the above-mentioned coatings is cut to a size of 5 cm ⁇ 5 cm and is now
  • the 5 cm x 5 cm coated polyimide film is provided with 18 parallel structurings as shown in Figure 7 (b), with three structurings each grouped.
  • the sequence of the structuring lines (see Figure 7 (b)) is ABCABC ... etc.
  • the starting point is structuring A. This is done, for example, mechanically by means of a scriber.
  • the scriber itself is mounted on an x-y-z table and is computer-aided controlled. Depending on the
  • the processing parameters of the scriber (such as radius of the needle tip, contact pressure of the needle tip, speed of travel of the tip and number of passes of the tip) are adjusted so that the layers 3, 4 and 5 are completely removed along the structuring line without destroying the layer 2 thereby.
  • the length of the scriber is adjusted so that the layers 3, 4 and 5 are completely removed along the structuring line without destroying the layer 2 thereby.
  • Structuring line is in this case 5 cm (length of the coated
  • the width of the line is essentially determined by the radius of the
  • Needle tip determined. In the example, the line width was 70 m; other typical line widths are about 10 to 100 ⁇ .
  • Structuring A is completed, the structuring takes place B. This is offset parallel to the structuring A by about 300 ⁇ . However, the offset can also be at 50-500 ⁇ . Since structuring A and B are technologically identical, structuring B takes place according to the scheme of structuring A. After completion of structuring B, structuring C takes place. This takes place parallel to structuring B by 300 ⁇ m. However, the offset can also be at 50-500 ⁇ . Structuring C is carried out in the illustrated example by means of a scriber. In contrast to the structuring A and B, the parameters were adjusted so that in addition to the layers 3, 4 and 5, the layer 2 is severed.
  • Structuring group parallel to the first group is performed example offset by about 7 mm.
  • the third patterning group is then again offset by 7 mm from the second group and so on.
  • 6 groups of 3 structuring lines each are set (see Figure 7 (b)). It should be mentioned that the spacing of the structuring groups can be between 3 and 15 mm and u.a. depends on the electrical properties of the front contact. Likewise, first all structuring steps for the trench A on the 5 cm substrate and then the structuring steps B and C or in any other arbitrary order can be carried out.
  • trenches A and C are filled with an electrically insulating polymer paste on a x-y-z stage using a computer-controlled dispenser (see Figure 7 (c)).
  • the backfilling has to be done so that no electrically insulating paste runs into the trench B and closes it.
  • the backfilling of trenches A and C with electrically insulating paste must be complete. This is especially important for trench C, since this will subsequently be covered by an electrically conductive paste, which in turn can then penetrate into an incompletely insulated trench C and thus lead to short-circuiting of two segments.
  • Electrically insulating polymer pastes are commercially available from various
  • the line thickness of the applied paste depends on the flow properties of the paste. On the other hand, the line thickness on the parameters of the dispenser (pressure, which is applied to the cartridge;
  • Typical line widths are in the range of 1500 to 300 ⁇ .
  • the trenches must be filled over the entire length of the trenches (in this case 5 cm). After all trenches A and C with electrically insulating Paste has been filled, the paste must be cured according to the manufacturer's instructions by means of convection oven or IR or UV radiation.
  • all the trenches B can be filled with an electrically conductive paste with the aid of a dispenser (see Figure 7 (d)). Again, the line thickness depends on the one
  • the line thickness can be influenced by the parameters of the dispenser (pressure applied to the cartridge, application speed, diameter of the outlet opening of the cartridge, etc.).
  • the order of the electrically conductive paste must be carried out so that the trench B is completely filled without extending beyond the insulating filling of the trench A, otherwise there is a short circuit of the segment.
  • the electrically conductive paste must in each case be led beyond the insulating filling of the trench C, in order to guarantee contacting of the front contact layer of the following segment.
  • Line preparation of the electrically conductive fillings are at 400 to 700 ⁇ and depends u.a. from the distance of the trenches B and C from. Electrically conductive paste is commercially available from several manufacturers. After all trenches B have been filled with electrically conductive paste, the paste is depending on
  • Polymer paste reaches its conductivity usually by adding metallic particles, is given by the reflection of the light on these particles a good contrast to the solar cell material, since this indeed absorbs the light.
  • structuring A can thus be set as close as possible to the edge.
  • the structuring A can be adapted to the formations of the edges of the filling of electrically conductive paste. Both latter options can minimize the size of the inactive areas and thus increase the efficiency of the solar cells.
  • Process step (filling the trench A with electrically insulating paste) saved and thus reduced production costs.
  • the polyimide tape provided with the above-mentioned coatings is cut to a size of 5 cm ⁇ 5 cm and is now
  • the 5 cm ⁇ 5 cm coated polyimide film is first provided with 12 parallel patterns as shown in Figure 9 (b), with two patterns arranged in groups.
  • Structuring lines (see Figure 9 (b)) is BCBC ... etc.
  • the starting point is structuring B. This is done, for example, mechanically by means of a scriber.
  • the scriber itself is mounted on an x-y-z table and is computer-aided controlled.
  • the processing parameters of the scriber such as the radius of the needle point,
  • the length of the structuring line is in this case 5 cm (length of the coated substrate).
  • the width of the line is determined essentially by the radius of the needle tip. In this example, the line width was 70 ⁇ ; other typical line widths are around 10 to 100 pm.
  • the structuring C takes place. This takes place parallel to the structuring B offset by 300 pm. However, the offset can also be between 50 and 500 pm. Structuring C is also carried out by means of a scriber, for example. Unlike the structuring B, the parameters have now been adjusted so that in addition to the layers 3, 4 and 5, the layer 2
  • Structuring group is performed parallel to the first group offset by about 7.5 mm.
  • the third patterning group is then again offset by 7 mm from the second group and so on.
  • a total of 6 groups with 2 structuring lines each are set (see Figure 9 (b)).
  • the spacing of the structuring groups can be between 3 and 15 mm and u.a. depends on the electrical properties of the front contact and the distance and the width of the trenches B and C.
  • first all structuring steps for the trench B can be performed on the 5 cm substrate and then the structuring step C or in any other arbitrary order.
  • the trenches C are filled with an electrically insulating polymer paste with the aid of a computer-controlled dispenser on an xyz table (see Figure 9 (c)).
  • the backfilling has to be done so that no electrically insulating paste runs into the trench B and closes it.
  • the backfilling of trenches C with electrically insulating paste must be complete. This is of crucial importance, since this will subsequently be covered by an electrically conductive paste, which in turn then in a incompletely isolated trench C can penetrate into these and thus can lead to the short circuit of two segments.
  • Electrically insulating polymer pastes are commercially available from several manufacturers.
  • the line thickness of the applied paste depends on the flow properties of the paste. On the other hand, the line thickness can be adjusted via the parameters of the dispenser (pressure which is applied to the cartridge;
  • Typical line widths are in the range of 1500 to 300 pm.
  • the trenches must be filled over the entire length of the trenches (in this case 5 cm). After the trenches C have been filled with electrically insulating paste, the paste must be cured according to the manufacturer's instructions using a circulating air drying oven or IR or UV radiation.
  • all the trenches B can be filled with an electrically conductive paste with the aid of a dispenser (see Figure 9 (d)). Again, the line thickness depends on the one
  • the line thickness can be influenced by the parameters of the dispenser (pressure applied to the cartridge, application speed, diameter of the outlet opening of the cartridge, etc.).
  • the application of the electrically conductive paste must be carried out so that the electrically conductive paste in each case over the insulating filling of the trench C is also performed in order to guarantee a contact of the front contact layer of the following segment.
  • Typical line preparation of electrically conductive fillings are at 400 to 700 ⁇ and hangs u.a. from the distance of the trenches B and C from. Electrically conductive paste is commercially available from several manufacturers. After all trenches B have been filled with electrically conductive paste, depending on the manufacturer's instructions, the paste is cured in a circulating air drying oven or with IR or UV radiation.
  • the structuring A can take place.
  • Structure A is set to the left ( Figure 9 (e)) of the backfill of trench B.
  • the structuring A is performed, for example, mechanically using a scriber. Structuring A should on the one hand come as close as possible to the backfill of trench B.
  • Structuring A be adapted so that the optical losses (by separating solar active surface) are minimized.
  • All structuring can also be done by laser or photolithographically
  • layer packages can be interconnected with the method according to the invention, which are located both on rigid and on flexible substrates.
  • the substrate may be electrically insulating or electrically conductive.
  • an electrically insulating layer that is to say between substrate (1) and
  • Back contact layer (2) are applied to a short circuit of
  • the parameters of the structuring C can be chosen here so that the electrically insulating layer is removed or remains on the substrate, it is crucial that the back contact layer is completely severed.
  • the filling of the trenches A and C with electrically insulating polymer paste may also be replaced by a coating with an electrically insulating material (e.g., SiOx) by means of vacuum deposition or electrodeposition.
  • an electrically insulating material e.g., SiOx
  • the filling of trench B with electrically conductive polymer paste may also be accomplished by coating with an electrically conductive material (e.g., silver)
  • Vacuum deposition or electrodeposition can be replaced.
  • the structuring steps A, B and C can be set so densely that there are no more layer packages between the structured trenches (see Figure 10 (i)).
  • the structuring steps A, B and C can be set so densely that there are no more layer packages between the structured trenches (see Figure 10 (i)).
  • Structuring step for the trench A and the trench B replaced by a single structuring step.
  • this also has the advantage that the inactive surface of the solar cell is reduced and thus the efficiency of the solar cell is increased.
  • the filling of the trenches with electrically insulating and electrically conductive paste can be carried out in addition to a dispenser by means of screen printing, stencil printing, ink jet or spraying method (using masks). In general, a combination of the individual methods mentioned is conceivable.
  • paste systems based on silicone or acrylate In addition to electrically insulating and electrically conductive pastes based on polymers, it is also possible to use paste systems based on silicone or acrylate.
  • this may e.g. in the form of individual contact fingers continue on the active
  • the inventive method can in principle be applied to any type of
  • transparent front side electrode e.g., electrically conductive oxide
  • electrically insulating layer e.g., electrically insulating polymer paste
  • electrically conductive layer e.g., polymer paste filled with metallic particles

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Abstract

Die Erfindung betrifft die serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen. Es ist die Aufgabe gestellt, das Strukturierungsverfahren so zu gestalten, dass eine zuverlässige und effektive Verschaltung ermöglicht, Kurzschlüsse vermieden und die nutzbare Solarzellenfläche vergrößert werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch die Ansprüche 1 und 14, die Lösung ist zur Massenproduktion geeignet.

Description

Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen
Die Erfindung betrifft eine Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen zur Herstellung von Solarmodulen.
Es ist bereits bekannt, Dünnschichtsolarzellen unterschiedlichen Aufbaus
herzustellen. Sie können auf starre Träger, beispielsweise Glas, aber auch auf Folien, also dünne, flexible Träger aus Metall oder Polymer, abgeschieden werden. Der prinzipielle Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle ist in Abbildung 1 anhand einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle auf Folienbasis dargestellt und umfasst den Träger bzw. das Substrat welches zum Beispiel aus einer Folie besteht (1), die metallische Rückkontaktschicht (2), der im Beispiel im Wesentlichen eine Molybdänschicht umfasst, die Absorberschicht aus zum Beispiel CIGS (3), eine Pufferschicht aus zum Beispiel Cadmiumsulfid (4), einen Tunnelkontakt aus zum Beispiel intrinsischem Zinkoxid und die transparente Vorderseitenelektrode, die aus einem transparenten oxidischen Leiter wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO - indium tin oxide) oder aluminiumdotiertes Zinkoxid besteht. Der Tunnelkontakt und die
Vorderseitenelektrode (auch als transparente Frontkontaktschicht bezeichnet) werden gemeinsam als eine Schicht dargestellt (5). Vorteilhaft zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen ist die kontinuierliche Prozessführung bei der
Schichtabscheidung.
Es ist weiterhin bekannt eine serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen in Form einer monolithischen Integration zu erreichen. Verfahren hierfür sind z.B. in US 5,593,901 zu finden. Für eine monolithisch integrierte Verschaltung müssen, wie beschrieben beim Aufbau der Dünnschichtsolarzellen und deren Verschaltung alternierend Beschichtungs- und Strukturierungsschritte durchgeführt werden. Die Abscheidung der einzelnen Schichten der Dünnschichtsolarzelle wird also durch mehrere Strukturierungsschritte unterbrochen.
Um ein Unterbrechen der Abscheideprozesse zu vermeiden wird in
WO 2008/157807 A2 vorgeschlagen alle Strukturierungsschritte nach dem Herstellen des kompletten Schichtpaketes durchzuführen und diese mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste bzw. elektrisch isolierender Polymerpaste zu verfüllen (Abbildung 2). Abbildung 3 zeigt den Prozessablauf basierend auf dem Stand der Technik.
Ausgangspunkt ist das in Abbildung 3 (a) dargestellte Schichtpaket aus Substrat (1),
BESTÄTIGUNGSKOPIE Rückkontaktschicht (2), photoaktiver Schicht (3), Pufferschichten (4) und transparenter Frontkontaktschicht (5). Dieses Schichtpaket wird nun, wie in
Abbildung 3 (b) gezeigt, strukturiert und dabei in Einzelsegmente unterteilt. Die Anzahl der Einzelsegmente kann zunächst beliebig gewählt werden. Je
Einzelsegment werden 3 Strukturierungsschritte benötigt. Die einzelnen
Strukturierungsschritte werden im Folgenden anhand von Abbildung 3 (b) erläutert. Strukturierung A trennt die transparente Frontkontaktschicht (5) vollständig auf, sodass die Pufferschichten (4) bzw. die Absorberschicht (3) Sichtbar werden.
Strukturierung B trennt alle Schichten oberhalb der Rückkontaktschicht (2) auf und legt diesen somit frei. Mit der Strukturierung C wird das komplette Schichtpaket inklusive der Rückkontaktschicht oberhalb des Substrates aufgetrennt. Um eine Reihenschaltung zwischen den durch die Strukturierung definierten Einzelsegmenten zu erreichen, muss eine Verbindung von der Rückkontaktschicht eines Segmentes zur Frontkontaktschicht eines folgenden Segmentes erreicht werden. Diese
Verbindung wird beim Stand der Technik mittels einer elektrisch leitfähigen
Polymerpaste erzeugt, welche in den strukturierten Graben B gefüllt wird (s.
Abbildung 3 (d)). Die Strukturierung A dient dazu, einen Kurzschluss der
Frontkontaktschichten benachbarter Einzelsegmente zu verhindern. Strukturierung C übernimmt dieselbe Aufgabe, allerdings für die Rückkontaktschichten benachbarter Einzelsegmente. Die Strukturierungen A und C werden mit einer elektrisch
isolierenden Polymerpaste aufgefüllt (s. Abbildung 3 (c)).
Die bekannten technischen Lösungen haben eine Reihe von Nachteilen, die sich in zwei Aspekte unterteilen lassen.
Aspekt A:
Alle 3 in Abbildung 3 (b) gezeigten Strukturierungen (A, B und C) werden in unterschiedliche Tiefen des Schichtpaketes geführt - Strukturierungsschritt A bis zur Pufferschicht, Strukturierungsschritt B bis zur Rückkontaktschicht und
Strukturierungsschritt C bis zum Substrat. Für jeden der Strukturierungsschritte muss also entweder ein eigener Parametersatz zum vollständigen Entfernen der
entsprechenden Schichten ohne eine Beschädigung der darunter liegenden
Schichten gefunden werden oder eine zusätzliche Technologie verwendet werden. Da bei den Strukturierungen A, B und C unterschiedliche Schichtabfolgen
aufgetrennt werden, sind somit 3 Parametersätze oder bis zu 3 verschiedene Technologien notwendig. Werden die Strukturierungen z.B. mechanisch mittels einer Reißnadel durchgeführt, kann ein Parametersatz beispielsweise die Aufsetzkraft der Nadel, die Verfahrgeschwindigkeit der Nadel, der Radius der Nadelspitze und die Zahl der Überfahrten der Nadel umfassen.
In der Regel ist die Haftung der transparenten Frontkontaktschicht (5) auf den
Pufferschichten (4) bzw. auf der Absorberschicht (3) höher als die Haftung der Absorberschicht (3) auf der Rückkontaktschicht (2). Es ist somit technisch höchst anspruchsvoll z.B. mittels Reißnadel die transparente Frontkontaktschicht oberhalb der Pufferschichten zu entfernen.
Ähnlich problematisch ist die Entfernung der transparenten Frontkontaktschicht mittels Laserstrahlung. Wird z.B. ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet, kann in die transparente Frontkontaktschicht nahezu keine Energie deponiert werden, da die transparenten Frontkontaktschichten bei diesen
Wellenlängen in der Regel eine hohe Transmission aufweisen. Der Großteil der vom Laser eingestrahlten Energie wird dann in den Pufferschichten und in der
Absorberschicht deponiert und führt dort z.B. zum Aufschmelzen dieser Schichten, was mit einer Funktionsstörung durch beispielsweise Kurzschlüsse in diesen
Schichten verbunden ist.
Um dieses Problem zu umgehen, könnten Laser mit geringerer Wellenlänge gewählt werden. Beispielsweise zeigen die gängigen transparenten Frontkontaktschichten bei einer Wellenlänge von 266 nm ein hohes Absorptionsvermögen, wodurch die von diesem Laser emittierte Strahlung gut in der transparenten Frontkontaktschicht deponiert werden kann. Diese kurzen Wellenlängen dieser Laser werden mittels „frequency conversion" aus Lasern mit größeren Wellenlängen erzeugt. Solch ein „frequency conversion" setzt kostenintensive optische Geräte mit zum Teil begrenzter Lebensdauer voraus. Zum anderen ist solch ein„frequency conversion" immer mit einer Verminderung der Laserintensitäten und somit einer Verringerung der
Durchsätze im Rahmen einer Massenfertigung verbunden.
Der Strukturierungsschritt A separiert die Frontkontaktschichten zweier benachbarter Segmente. Beim Stand der Technik sind die Puffer- und Absorberschichten nicht aufgetrennt. Bei den Absorberschichten handelt es sich in der Regel um
Halbleitermaterialien, welche ebenfalls elektrisch leitfähig sind. Zwar sind in der Regel die Querleitfähigkeiten dieser Halbleiterschichten deutlich niedriger als die Querleitfähigkeiten der transparenten Frontkontaktschicht und der
Rückkontaktschicht, aber dennoch nicht verschwindend gering. Erschwerend kommt hinzu, dass moderne Absorber-Halbleiterschichten zunehmend niederohmig ausgeführt werden, wodurch auch deren Querleitfähigkeit zunimmt. Offensichtlich liegt hier der Irrglaube vor, dass die Isolierung durch ein Auftrennen der
transparenten Frontkontaktschicht ausreichend ist. Es ist aber durchaus möglich, dass trotz Auftrennen der transparenten Frontkontaktschicht nach wie vor eine elektrische Verbindung zwischen den transparenten Frontkontaktschichten zweier benachbarter Einzelsegmente über die Absorberschicht und die im strukturierten Graben B gefüllte elektrisch leitfähige Polymerpaste besteht (vgl. Abbildung 3 (d)). Somit liegt ein Kurzschluss vor und die elektrische Verbindung der Einzelsegmente im Sinne einer Reihenschaltung ist erheblich in Ihrer Funktion gestört.
Aspekt B:
Beim Stand der Technik wird zuerst die Strukturierung des Schichtpaketes und anschließend, wie oben beschrieben, die Verfüllung der erzeugten Gräben mittels elektrisch isolierender und elektrisch leitfähiger Polymerpasten vorgenommen.
Sowohl die Positioniergenauigkeit beim Auftragen der elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Polymerpasten als auch das Verlaufen dieser Polymerpasten nach dem Auftragen machen es notwendig, beim Herstellen der Strukturierungen diese Aspekte bei der Festlegung der Abstände der Strukturierungsgräben zu berücksichtigen. Unter Beachtung aller Toleranzen werden die Abstände der einzelnen Strukturierungsschntte untereinander aus Sicht der Prozesssicherheit eher größer gewählt werden. Die Bereiche der Strukturierungen und die Verfüllungen dieser Gräben tragen nicht zur Erzeugung von Ladungsträgern bei. Somit wird beim Stand der Technik wertvolle aktive Solarzellfläche bei der Erzeugung der
Ladungsträger verschenkt und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Strukturierungen so zu gestalten, dass zum einen die Prozesse vereinfacht und damit preiswertere werden und zum anderen
Kurzschlüsse an den Verbindungsstellen der Einzelsegmente vermieden werden (Aspekt A). Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung die durch die Verbindung der Einzelsegmente erzeugte inaktive Solarzellefläche auf ein Minimum zu reduzieren und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen (Aspekt B). Aspekt A:
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass im Strukturierungsschritt A nicht nur die transparente Frontkontaktschicht, sondern alle über der metallischen Rückkontaktschicht liegenden Schichten durchstoßen werden (vgl. Abbildung 4). Damit sind Strukturierungsschritt A und B technologisch identisch, womit für A und B nun ein und dieselben Parametersätze oder dieselbe Technologie bei der
Strukturierung verwendet werden können. Darüber wird die Gefahr eines
Kurzschlusses zweier benachbarter Segmente über die Absorberschicht (3) vermieden. Die Verschaltung der einzelnen Solarzellensegmente erfolgt
bekanntermaßen durch Verwendung einer elektrisch leitfähigen Polymerpaste in dem strukturierten Graben B, wohingegen die strukturierten Gräben A und C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste aufgefüllt werden.
Aspekt B:
Zur Minimierung der inaktiven Flächen der Solarzelle wird eine Abänderung der Prozessabfolge erfindungsgemäß vorgeschlagen. Die Strukturierung A wird erst nach der Verfüllung der mit B und C strukturierten Gräben durchgeführt. Somit lässt sich z.B. unter Verwendung eines Kamerasystems die Kontur der in den Graben B gefüllten leitfähigen Polymerpaste erkennen. Dadurch lässt sich die Strukturierung A beliebig dicht an die Kante der elektrisch leitfähigen Polymerpaste setzen. Eine Verfüllung des strukturierten Grabens A mit einer elektrisch isolierenden Paste ist dann nicht mehr nötig. Mit dem in Aspekt B genannten Weg wird somit einerseits der Anteil inaktiver Flächen minimiert und zum anderen elektrisch isolierende
Polymerpaste eingespart (vgl. Abbildung 5 oben).
Prozessabfolge für erfindungsgemäße serielle Verschaltung
Aspekt A:
Ausgangspunkt ist ein Substrat beschichtet mit den für eine Dünnschichtsolarzelle notwendigen Einzelschichten (vgl. Abbildung 1 und Abbildung 6 (a)). Die Schichten auf dem Substrat werden nun anschließend strukturiert. Dabei werden die Schichten in Einzelsegmente unterteilt. Je Einzelsegment sind 3 Strukturierungen (A, B, C) notwendig (vgl. Abbildung 6 (b)). Strukturierung A und B trennen dabei die Schichten 3, 4 und 5 vollständig auf, sodass Schicht 2 sichtbar wird. Strukturierung C trennt die Schicht 2, 3, 4 und 5 vollständig auf, sodass das Substrat (1) sichtbar wird. Das Auftrennen der Schichten kann dabei z.B. mechanisch mit einer Reißnadel erfolgen. Es gilt hier die optimalen Parameter zum Abtragen der einzelnen Schichten zu finden. So können z.B. die Kraft der Nadel, die Verfahrgeschwindigkeit der Nadel, Radius der Nadelspitze oder Anzahl der Überfahrten der Nadel angepasst werden. Die Parameter für die Strukturierung A und B sind dabei so zu wählen, dass eine Beschädigung der Schicht 2 vermieden wird aber dennoch ein vollständiges
Entfernen der Schichten 3, 4 und 5 gewährleistet wird. Die Parameter der
Strukturierung C sind so zu wählen, dass ein vollständiges Auftrennen der Schicht 2 gewährleistet wird ohne das das Substrat (1) in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Idealerweise sollte bei der Strukturierung C das Substrat oberflächlich nicht abgetragen werden. Ein oberflächliches Abtragen des Substrates ist allerdings solange unproblematisch, solange die Stabilität des Substrates nicht beeinflusst wird. Die Freilegung der Gräben A, B und C kann erfindungsgemäß auch unter
Verwendung eines Laserstrahls oder durch die Kombination von Lithographie und nasschemischer Ätzung bzw. vakuumbasierender Trocken-Ätztechniken erfolgen. Der Abstand der 3 Strukturierungen eines Segmentes untereinander wird im wesentlichen durch die Positioniergenauigkeit beim Befüllen der strukturierten
Gräben und dem Verlaufen der elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Polymerpasten bestimmt und sollte hinsichtlich Minimierung der solarinaktiven Flächen optimiert werden.
Im Anschluss an die Strukturierungen A bis C erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben mittels elektrisch isolierender Polymerpaste (Graben A und C) und elektrisch leitfähiger Polymerpaste (Graben B). Für die Verfüllung der Gräben kann ein
Dispenser entweder mit druckbeaufschlagter Kartusche oder einem Dispenser mit Spindelventil oder einem Dispenser mit einem Jetventil eingesetzt werden, wobei letzteres System höhere Durchsätze im Rahmen einer Massenfertigung
gewährleistet. Erfinderisch kann jedoch ebenso eine Siebdrucktechnologie oder Artverwandte Technologien eingesetzt werden. Die elektrisch isolierende
Polymerpaste verfüllt dabei die Gräben A und C (vgl. Abbildung 6 (c)). Die Verfüllung der Gräben A und C ist dabei so durchzuführen, dass keine elektrisch isolierende Polymerpaste in den Graben B gelangt. Die Gräben A und C müssen darüber hinaus vollständig verfüllt werden, ohne dass Teile der Gräben ohne Verfüllung verbleiben. Im Anschluss wird die elektrisch leitfähige Paste in Graben B und über Graben C hinaus aufgetragen (vgl. Abbildung 6 (d)). Die in die Gräben gefüllten Polymerpasten müssen nach dem Auftragen entsprechend der Herstellerangaben getrocknet werden. Dies kann je nach Polymersystem der Pasten in einem Umlufttrockenofen oder unter UV-Bestrahlung erfolgen. Es wird somit eine elektrische Verbindung zwischen der Rückkontaktschicht eines Segmentes und der Frontkontaktschicht des benachbarten Segmentes hergestellt (vgl. Abbildung 6 (d)). Die elektrisch leitfähige Polymerpaste muss dabei so weit über die nicht leitfähige Verfüllung des Graben C hinausreichen, dass eine elektrische Kontaktierung der transparenten
Frontkontaktschicht möglich ist. Wie groß am Ende die Fläche ist, welche den transparenten Frontkontakt berührt, ist abhängig von der Art des transparenten Frontkontaktes und der leitfähigen Polymerpaste. Es muss hier eine Optimierung hinsichtlich elektrischer Verluste und Abschattung aktiver Zellfläche durchgeführt werden.
Beispiel für Aspekt A:
Das Beispiel wird anhand der Abbildung 7 beschrieben.
Anwendung der Prozessabfolge zum Bau einer 5 cm x 5 cm großen Einheit aus untereinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen. Es soll erwähnt werden, dass die Größe der verschalteten Dünnschichtsolarzellen beispielhaft ist;
erfindungsgemäß können beliebige Größen Anwendung finden.
Ausgangspunkt ist eine 15-75 pm dicke Polyimidfolie als Substrat (1). Diese wird mittels Magnetron-Sputtern ganzflächig etwa 0,2 bis 2 pm dick beispielhaft mit Molybdän beschichtet. Diese Molybdänschicht dient als Rückkontaktschicht (2) der Solarzelle. Es können jedoch auch verschiedene Metalle oder Metallschichten als Rückkontaktschicht dienen. Auf dieser Molybdänschicht werden anschließend die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen mittels Koverdampfung im Vakuum abgeschieden. Es können jedoch auch andere bekannte Technologien zur
Abscheidung der CIGS-Schicht verwendet werden. Dazu gehören u.a. sequentielle Abscheidung, galvanische Abscheidung, Drucktechnologien oder ionenstrahl- unterstützte Abscheidung. Auf dieser etwa 1 bis 2 pm dicken Cu(ln,Ga)Se2-Schicht (Absorberschicht, photoaktive Schicht (3)) wird dann eine dünne (10 bis 100 nm) Cadmiumsulfidschicht nasschemisch aufgetragen. Die CdS Schicht kann auch durch einen Vakuumbasierende Technologie dargestellt werden. Ebenso ist es erfinderisch mögliche Cd-freie Pufferschichten zu verwenden. Auf der Pufferschicht folgt ein dünne (10 bis 100 nm) intrinsische Zinkoxidschicht (i-ZnO) aufgetragen mittels RF- Sputtern (4). Als Abschluss wird dann eine etwa 0,5 bis 3 μιη dicke mit Aluminium dotierte Zinkoxidschicht (AI:ZnO) aufgesputtert. Die i-ZnO Schicht und die AI:ZnO Schicht werden zur Vereinfachung gemeinsam als Frontkontaktschicht (5)
dargestellt. Die AI:ZnO Schicht kann auch aus ITO bestehen. Die Darstellung der einzelnen Schichten kann sowohl in einem Batch-Prozess als auch in einem kontinuierlichen Prozess (beispielsweise Rolle-zu-Rolle) abgeschieden werden.
Das mit den oben genannten Beschichtungen versehene Polyimidband wird beispielhaft auf eine Größe von 5 cm x 5 cm zurechtgeschnitten und ist nun
Ausgangspunkt für die Strukturierung der Schichten und die anschließende
Reihenverschaltung (vgl.Abbildung 7 (a)).
Die 5 cm x 5 cm große beschichte Polyimidfolie wird wie in Abbildung 7 (b) gezeigt mit 18 parallelen Strukturierungen versehen, wobei je drei Strukturierungen gruppiert angeordnet werden. Die Abfolge der Strukturierungslinien (vgl. Abbildung 7 (b)) ist ABCABC... usw. Begonnen wird mit der Strukturierung A. Diese wird beispielhaft mechanisch mittels Reißnadel durchgeführt. Die Reißnadel selbst wird auf einem x-y- z-Tisch befestigt und ist computergestützt gesteuert. Abhängig von den
Materialeigenschaften der Schichten 3, 4 und 5 werden die Bearbeitungsparameter der Reißnadel (wie z.B. Radius der Nadelspitze, Anpresskraft der Nadelspitze, Verfahrgeschwindigkeit der Spitze und Anzahl der Überfahrten der Spitze) so angepasst dass die Schichten 3, 4 und 5 vollständig entlang der Strukturierungslinie entfernt werden ohne die Schicht 2 dabei zu zerstören. Die Länge der
Strukturierungslinie beträgt in diesem Fall 5 cm (Länge des beschichteten
Substrates). Die Breite der Linie wird im Wesentlichen durch den Radius der
Nadelspitze bestimmt. In dem Beispiel lag die Linienbreite bei 70 m; andere typische Linienbreiten liegen bei etwa 10 bis 100 μηη. Nachdem die erste
Strukturierung A abgeschlossen ist, erfolgt die Strukturierung B. Diese liegt parallel zur Strukturierung A um etwa 300 μηι versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50 - 500 μιτι liegen. Da Strukturierung A und B technologisch identisch sind, erfolgt die Strukturierung B nach dem Schema der Strukturierung A. Nach Abschluss der Strukturierung B erfolgt die Strukturierung C. Diese erfolgt parallel zur Strukturierung B um 300 μιτι versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50 - 500 μιτι liegen. Strukturierung C wird in dem dargestellten Beispiel mittels Reißnadel durchgeführt. Abweichend zu den Strukturierungen A und B wurden die Parameter so angepasst, dass zusätzlich zu den Schichten 3, 4 und 5 auch die Schicht 2 durchtrennt wird.
Ist Strukturierungsschritt C beendet, werden die soeben beschriebenen
Strukturierungsschritte A, B und C wiederholt, wobei diese nächste
Strukturierungsgruppe parallel zur ersten Gruppe beispielhaft um etwa 7 mm versetzt durchgeführt wird. Die dritte Strukturierungsgruppe wird dann wiederum um 7 mm gegenüber der zweiten Gruppe versetzt und so weiter. Insgesamt werden 6 Gruppen mit je 3 Strukturierungslinien gesetzt (vgl. Abbildung 7 (b)). Es soll erwähnt werden dass der Abstand der Strukturierungsgruppen zwischen 3 und 15 mm liegen kann und u.a. von den elektrischen Eigenschaften des Frontkontaktes abhängt. Ebenso können auch zuerst alle Strukturierungsschritte für den Graben A auf dem 5 cm Substrat und danach die Strukturierungsschritte B und C oder in jeder anderen beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Nach Abschluss aller Strukturierungslinien erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben. Zunächst werden die Gräben A und C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste unter Zuhilfenahme eines computergesteuerten Dispensers auf einem x-y-z Tisch verfüllt (vgl. Abbildung 7 (c)). Die Verfüllung hat dabei so zu erfolgen, dass keine elektrisch isolierende Paste in den Graben B läuft und diesen verschließt. Darüber hinaus muss die Verfüllung der Gräben A und C mit elektrisch isolierender Paste lückenlos erfolgen. Dies ist besonders bei Graben C von entscheidender Bedeutung, da dieser anschließend von einer elektrisch leitfähigen Paste überdeckt werden wird, welche ihrerseits dann bei einem unvollständig isolierten Graben C in diesen eindringen kann und somit zum Kurzschluss zweier Segmente führen kann. Elektrisch isolierende Polymerpasten sind kommerziell von verschiedenen
Herstellern erhältlich. Die Liniendicke der aufgetragenen Paste ist zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt;
Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Typische Linienbreiten liegen im Bereich von 1500 bis 300 μιη. Die Verfüllung der Gräben hat dabei über die gesamte Länge der Gräben (in diesem Fall 5 cm) zu erfolgen. Nachdem alle Gräben A und C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wurde, muss die Paste entsprechend der Herstellerangaben mittels Umlufttrockenofen oder IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet werden.
Nach dem Aushärten der isolierenden Paste kann die Verfüllung aller Gräben B mit einer elektrisch leitfähigen Paste unter Zuhilfenahme eines Dispensers erfolgen (vgl. Abbildung 7 (d)). Auch hier ist die Liniendicke zum einen abhängig von den
Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Der Auftrag der elektrisch leitfähigen Paste muss dabei so durchgeführt werden, dass der Graben B vollständig ausgefüllt wird ohne dabei über die isolierende Verfüllung des Grabens A hinaus zu verlaufen, da sonst ein Kurzschluss des Segmentes vorliegt. Weiterhin muss die elektrisch leitfähige Paste in jedem Fall über die isolierende Verfüllung des Grabens C hinaus geführt werden um somit eine Kontaktierung der Frontkontaktschicht des folgenden Segmentes zu garantieren. Typische
Linienbereiten der elektrisch leitfähigen Verfüllungen liegen bei 400 bis 700 μηι und hängt u.a. von dem Abstand der Gräben B und C ab. Elektrisch leitfähige Paste ist von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Nachdem alle Gräben B mit elektrisch leitfähiger Paste verfüllt worden sind, wird die Paste je nach
Herstellerangaben im Umlufttrockenofen oder mit IR- bzw. UV-Strahlung
ausgehärtet.
Aspekt B:
Abweichend zur Prozessabfolge in Aspekt A. werden zunächst im Schichtpaket (vgl. Abbildung 8 (a)) nur die Strukturierungen B und C durchgeführt (vgl. Abbildung 8 (b)). Anschließend wird der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt (vgl.
Abbildung 8 (c)). Die isolierende Paste wird entsprechend der Herstellerangaben getrocknet. Danach wird die elektrisch leitfähige Polymerpaste in den Graben B und über die Verfüllung des Grabens C hinaus mit einer elektrisch leitfähigen
Polymerpaste verfüllt (vgl. Abbildung 8 (d)). Abschließend wird die Strukturierung A durchgeführt (vgl. Abbildung 8 (e)). Zur Minimierung der solarinaktiven Flächen ist es dabei vorteilhaft, die Strukturierung A soweit wie möglich an die Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Polymerpaste zu setzen. Dies kann erreicht werden, indem die Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste mithilfe z.B. einer optischen Erkennung (Kamera) erfasst wird (vgl. Abbildung 5 und den Vergleich zum Stand der Technik in Abbildung 5 unten). Entscheidend ist hier, dass die Strukturierung A erst nach dem Verfüllen der Gräben B und C erfolgt. Da eine elektrisch leitfähige
Polymerpaste ihre Leitfähigkeit meist durch ein Zusetzen metallischer Partikel erreicht, ist durch die Reflektion des Lichts an diesen Partikeln ein guter Kontrast zum Solarzellenmaterial gegeben, da dieses das Licht ja absorbiert. Entsprechend der Lage und der Ausformungen der Kante der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste kann somit die Strukturierung A zum einen so dicht wie möglich an die Kante gesetzt werden. Zum anderen kann die Strukturierung A an die Ausformungen der Kanten der Verfüllung aus elektrisch leitfähiger Paste angeglichen werden. Beide letztgenannten Möglichkeiten können die Größe der inaktiven Flächen minimieren und somit den Wirkungsgrad der Solarzellen erhöhen. Zusätzlich wird ein
Prozessschritt (Befüllung des Grabens A mit elektrisch isolierender Paste) eingespart und damit die Produktionskosten gesenkt.
Beispiel für Aspekt B:
Das Beispiel wird anhand der Abbildung 9 beschrieben.
Anwendung der Prozessabfolge zum Bau einer beispielhaft 5 cm x 5 cm großen, Einheit aus untereinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen.
Ausgangspunkt ist der in der Beispielbeschreibung zu Aspekt A erläuterte
Schichtaufbau und Schichtherstellung.
Das mit den oben genannten Beschichtungen versehene Polyimidband wird beispielhaft auf eine Größe von 5 cm x 5 cm zurechtgeschnitten und ist nun
Ausgangspunkt für die Strukturierung der Schichten und die anschließende
Reihenverschaltung. Die 5 cm x 5 cm große beschichte Polyimidfolie wird wie in Abbildung 9 (b) gezeigt zunächst mit 12 parallelen Strukturierungen versehen, wobei je zwei Strukturierungen gruppiert angeordnet werden. Die Abfolge der
Strukturierungslinien (vgl. Abbildung 9 (b)) ist BCBC... usw. Begonnen wird mit der Strukturierung B. Diese wird beispielhaft mechanisch mittels Reißnadel durchgeführt. Die Reißnadel selbst wird auf einem x-y-z-Tisch befestigt und ist computergestützt gesteuert. Abhängig von den Materialeigenschaften der Schichten 3, 4 und 5 werden die Bearbeitungsparameter der Reißnadel (wie z.B. Radius der Nadelspitze,
Anpresskraft der Nadelspitze, Verfahrgeschwindigkeit der Spitze und Anzahl der Überfahrten der Spitze) so angepasst dass die Schichten 3, 4 und 5 vollständig entlang der Strukturierungslinie entfernt werden ohne die Schicht 2 dabei zu zerstören. Die Länge der Strukturierungslinie beträgt in diesem Fall 5 cm (Länge des beschichteten Substrates). Die Breite der Linie wird im Wesentlichen durch den Radius der Nadelspitze bestimmt. In diesem Beispiel lag die Linienbreite bei 70 μητι; andere typische Linienbreiten liegen bei etwa 10 bis 100 pm.
Nach Abschluss der Strukturierung B erfolgt die Strukturierung C. Diese erfolgt parallel zur Strukturierung B um 300 pm versetzt. Die Versetzung kann jedoch auch bei 50 - 500 pm liegen. Strukturierung C wird beispielhaft ebenfalls mittels Reißnadel durchgeführt. Abweichend zur Strukturierung B wurden die Parameter nun so angepasst, dass zusätzlich zu den Schichten 3, 4 und 5 auch die Schicht 2
durchtrennt wird.
Ist Strukturierungsschritt C beendet, werden die soeben beschriebenen
Strukturierungsschritte B und C wiederholt, wobei diese nächste
Strukturierungsgruppe parallel zur ersten Gruppe um etwa 7,5 mm versetzt durchgeführt wird. Die dritte Strukturierungsgruppe wird dann wiederum um 7 mm gegenüber der zweiten Gruppe versetzt und so weiter. Insgesamt werden 6 Gruppen mit je 2 Strukturierungslinien gesetzt (vgl. Abbildung 9 (b)). Es soll erwähnt werden dass der Abstand der Strukturierungsgruppen zwischen 3 und 15 mm liegen kann und u.a. von den elektrischen Eigenschaften des Frontkontaktes und dem Abstand sowie der Breite der Gräben B und C abhängt. Ebenso können auch zuerst alle Strukturierungsschritte für den Graben B auf dem 5cm Substrat und danach der Strukturierungsschritt C oder in jeder anderen beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Nach Abschluss aller Strukturierungslinien erfolgt die Verfüllung der erzeugten Gräben.
Zunächst werden die Gräben C mit einer elektrisch isolierenden Polymerpaste unter Zuhilfenahme eines computergesteuerten Dispensers auf einem x-y-z Tisch verfüllt (vgl. Abbildung 9 (c)). Die Verfüllung hat dabei so zu erfolgen, dass keine elektrisch isolierende Paste in den Graben B läuft und diesen verschließt. Darüber hinaus muss die Verfüllung der Gräben C mit elektrisch isolierender Paste lückenlos erfolgen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da diese anschließend von einer elektrisch leitfähigen Paste überdeckt werden wird, welche ihrerseits dann bei einem unvollständig isolierten Graben C in diesen eindringen kann und somit zum Kurzschluss zweier Segmente führen kann. Elektrisch isolierende Polymerpasten sind kommerziell von verschiedenen Herstellern erhältlich. Die Liniendicke der aufgetragenen Paste ist zum einen abhängig von den Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der
Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Typische Linienbreiten liegen im Bereich von 1500 bis 300 pm. Die Verfüllung der Gräben hat dabei über die gesamte Länge der Gräben (in diesem Fall 5 cm) zu erfolgen. Nachdem die Gräben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wurde, muss die Paste entsprechend der Herstellerangaben mittels Umlufttrockenofen oder IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet werden.
Nach dem Aushärten der isolierenden Paste kann die Verfüllung aller Gräben B mit einer elektrisch leitfähigen Paste unter Zuhilfenahme eines Dispensers erfolgen (vgl. Abbildung 9 (d)). Auch hier ist die Liniendicke zum einen abhängig von den
Fließeigenschaften der Paste. Zum anderen kann die Liniendicke über die Parameter des Dispensers (Druck, welcher an der Kartusche anliegt; Auftragsgeschwindigkeit; Durchmesser der Austrittsöffnung der Kartusche etc.) beeinflusst werden. Der Auftrag der elektrisch leitfähigen Paste muss dabei so durchgeführt werden, dass die elektrisch leitfähige Paste in jedem Fall über die isolierende Verfüllung des Grabens C hinaus geführt wird um somit eine Kontaktierung der Frontkontaktschicht des folgenden Segmentes zu garantieren. Typische Linienbereiten der elektrisch leitfähigen Verfüllungen liegen bei 400 bis 700 μιτι und hängt u.a. von dem Abstand der Gräben B und C ab. Elektrisch leitfähige Paste ist von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Nachdem alle Gräben B mit elektrisch leitfähiger Paste verfüllt worden sind, wird die Paste je nach Herstellerangaben im Umlufttrockenofen oder mit IR- bzw. UV-Strahlung ausgehärtet.
Ist die elektrisch leitfähige Paste ausgehärtet, kann die Strukturierung A erfolgen. Strukturierung A wird dabei links (Abbildung 9 (e)) von der Verfüllung des Grabens B gesetzt. Die Strukturierung A wird beispielhaft mechanisch mithilfe einer Reißnadel durchgeführt. Strukturierung A soll zum einen so dicht wie möglich an die Verfüllung des Grabens B heranreichen. Zum anderen ist es dabei vorteilhaft, den Verlauf der Strukturierung A an die Konturen der Verfüllung des Grabens B anzupassen. Hierfür ist es notwendig, die Konturen der Verfüllung des Grabens B zu erkennen und auszuwerten. Dies lässt sich mithilfe eines Kamerasystems, welches ebenfalls auf einem x-y-z-Tisch befestigt wurde samt optischer Auswertung realisieren. Liegen die Daten der Kontur der Verfüllung vor, kann der Lauf der Reißnadel für die
Strukturierung A so angepasst werden, dass die optischen Verluste (durch Abtrennen solaraktiver Fläche) minimiert werden.
Abwandlungen zur erfindungsgemäßen Prozessabfolge
Alle Strukturierungen können auch mittels Laser oder photolithographisch in
Kombination mit einer Ätztechnologie (nasschemisch oder vakuum-basierende Trockenätzverfahren) erfolgen. Ebenso ist eine Kombination aller genannten
Methoden möglich.
Generell können Schichtpakete mit der erfindungsgemäßen Methode verschaltet werden, die sich sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten befinden. Das Substrat kann dabei elektrisch isolierend oder elektrisch leitend sein.
Im Falle eines elektrisch leitfähigen Substrates (z.B. Metallfolie) muss auf diesem Substrat eine elektrisch isolierende Schicht (also zwischen Substrat (1) und
Rückkontaktschicht (2)) aufgetragen werden um eine Kurzschluss der
Einzelsegmente über deren Rückkontaktschichten zu vermeiden, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Funktion der späteren Verschaltung führen würde. Die Parameter der Strukturierung C können hier so gewählt werden, dass die elektrisch isolierende Schicht abgetragen wird oder auf dem Substrat verbleibt, entscheidend ist, dass die Rückkontaktschicht vollständig durchtrennt wird.
Das Verfüllen der Gräben A und C mit elektrisch isolierender Polymerpaste kann auch durch eine Beschichtung mit einem elektrisch isolierenden Material (z.B. SiOx) mittels Vakuumabscheidung oder galvanischer Abscheidung ersetzt werden.
Das Verfüllen des Grabens B mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste kann auch durch Beschichtung mit einem elektrisch leitfähigen Material (z.B. Silber) mittels
Vakuumabscheidung oder galvanischer Abscheidung ersetzt werden.
Generell ist es auch möglich, zum Verfüllen der Gräben A, B und C die Verfahren zum Auftragen einer Polymerpaste mit den Methoden der Vakuumabscheidung und der galvanischen Abscheidung zu kombinieren. Die Strukturierungsschritte A, B und C können prinzipiell so dicht gesetzt werden, das zwischen den strukturierten Gräben keine Schichtpakete mehr vorhanden sind (vgl. Abbildung 10 (i)). In dieser erfindungsgemäßen Ausführung wird der
Strukturierungsschritt für den Graben A und den Graben B durch einen einzigen Strukturierungsschritt ersetzt. Dies hat neben der Reduzierung der Herstellkosten auch den Vorteil, dass die inaktive Fläche der Solarzelle verringert wird und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle vergrößert wird.
Ebenfalls ist es auch hier möglich, einen weiteren Produktionsschritt zu Verfüllungen mit elektrisch isolierender Polymerpaste wegzulassen (vgl. Abbildung 10 (ii), analog zu Abbildung 5). Es können aber auch nur 2 der Gräben so dicht gesetzt werden, dass keine Schichtstapel zwischen den Linien verbleiben (vgl. Abbildung 10 (iii)).
Die Verfüllung der Gräben mit elektrisch isolierender und elektrisch leitfähiger Paste kann außer mit einem Dispenser auch mittels Siebdruck, Schablonendruck, Ink-Jet oder Aufsprüh-Verfahren (unter der Verwendung von Masken) durchgeführt werden. Generell ist auch eine Kombination der einzelnen genannten Verfahren denkbar.
Neben elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Pasten auf Polymerbasis können auch Pastensysteme auf der Basis von Silikon oder Acrylat verwendet werden.
Zusätzlich zur Verfüllung der Strukturierung B mit elektrisch leitfähiger Polymerpaste kann diese z.B. in Form von einzelnen Kontaktfingern weiter auf die aktive
Solarzellfläche aufgetragen werden um somit die Leitfähigkeit der
Frontkontaktschicht zu unterstützen, wodurch die Abstände der Einzelsegmente untereinander vergrößert werden können und somit nach einer Optimierung aus Serienwiderstandsverlusten und Abschattung solaraktiver Flächen ein Maximum an solaraktiver Fläche erreicht werden kann (vgl. Abbildung 11 ).
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell auf jeden Typ der
Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Substrat anwenden. Folgende Typen dienen als Beispiel
■ Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Gallium- Diselenid (bzw. Selen substituiert durch Schwefel)
■ Amorphes Silizium ■ Cadmium-Tellurid
■ Mikrokristallines Silizium
■ Gallium-Arsenid
Legende zu den Abbildungen
1 Substrat, Träger
2 Rückkontakt (z.B. metallische Schicht)
3 photoaktive Schicht, Absorberschicht
4 Pufferschichten
5 Tunnelkontakt und transparente Vorderseitenelektrode (z.B. elektrisch leitfähiges Oxid)
6 elektrisch isolierende Schicht (z.B. elektrisch isolierende Polymerpaste)
7 elektrisch leitfähige Schicht (z.B. Polymerpaste gefüllt mit metallischen Partikeln)
8 Kontaktfinger

Claims

Patentansprüche
1. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes,
dadurch gekennzeichnet, dass das auf starrem oder flexiblem Substrat aufgebrachte Schichtpaket entsprechend Abbildung 6 mit drei Gräben A, B, C unterteilt wird, wobei die Gräben A und B in das Schichtpaket bis zum Rückkontakt eingebracht werden, der Graben C bis zum Substrat geführt wird, die Gräben A und C elektrisch isolierend gestaltet werden, der Graben B elektrisch leitfähig gestaltet wird und die Zellsegmente verschaltet werden.
2. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Strukturierung des Schichtpaketes der Dünnschichtsolarzelle bezüglich der Gräben A und B dieselben Parametersätze verwendet werden.
3. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einer Reißnadel, mit Laserstrahlen oder photolithographisch erfolgt.
4. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben mit elektrisch leitender oder elektrisch isolierender Paste verfüllt werden.
5. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Pastensysteme auf Polymerbasis oder auf der Basis von Silikon oder Acrylat eingesetzt werden.
6. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verfüllen der erzeugten Gräben mit elektrisch leitfähiger oder elektrisch isolierender Paste ein Dispenser mit
druckbeaufschlagter Kartusche oder mit Spindelventil oder mit Jetventil eingesetzt wird.
7. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllen der Gräben mittels Siebdruck, Schablonendruck, Ink-Jet oder Aufsprühverfahren unter Verwendung einer Maske vorgenommen wird.
8. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Wirkung eines Grabens durch Vakuumabscheidung oder galvanische Abscheidung eines elektrisch isolierenden Materials erreicht wird.
9. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , 4, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Methoden zur Einbringung einer isolierenden Schicht in die zwei zu verfüllenden Gräben kombiniert werden , indem Graben A mit Pastenauftrag mittels Dispenser, Graben C mit SiOx mittels Vakuumabscheidung behandelt werden.
10. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung im Graben, die die Rückkontaktschicht eines Segmentes mit der Frontkontaktschicht eines folgenden Segmentes verbindet, durch Vakuumabscheidung oder galvanische Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Materials erreicht wird.
11. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Polymerpaste so weit über die nicht leitfähige Verfüllung des Grabens C hinausreicht, dass eine elektrische Kontaktierung der Frontkontaktschicht möglich ist.
12. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Polymerpaste als Kontaktfinger auf die aktive Solarzellenfläche aufgetragen wird.
13. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger aus einem anderen leitfähigen Material als die elektrische leitfähige Polymerpaste besteht.
14. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtpaket entsprechend Abbildung 8 mit drei Gräben A, B, C unterteilt wird, wobei der Graben B bis zum Rückkon- takt und der Graben C bis zum Substrat geführt wird, der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wird, der Graben B mit elektrisch leitfähiger Paste dergestalt verfüllt wird, dass über seine Verfüllung hinaus der Graben C überdeckt wird und der Graben A erst anschließend eingebracht wird.
15. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen, diese bestehend aus Substrat, Rückkontaktschicht, Absorberschicht, Pufferschichten, transparenter Frontkontaktschicht durch Einbringen von Gräben in dieses Schichtpaket und dem Herstellen eines elektrisch Kontaktes,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtpaket entsprechend Abbildung 8 mit zwei Gräben B, C unterteilt wird, wobei der Graben B bis zum Rückkontakt und der Graben C bis zum Substrat geführt wird, der Graben C mit elektrisch isolierender Paste verfüllt wird, der Graben B mit elektrisch leitfähiger Paste dergestalt verfüllt wird, dass über seine Verfüllung hinaus der Graben C überdeckt wird.
16. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die linke Seite des Grabens B zusätzlich mit einer isolierenden Paste befüllt wird.
17. Serielle Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nachträgliche ein Graben A durch das Schichtpaket bis zum Rückkontakt eingebracht wird.
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