NO830781L - Solcelle - Google Patents

Abstract

Ved fremstilling av en kadmiumsulfid-solcelle blir en celle dannet på et glassubstrat (10), hvoretter det dannes en frontkontakt (12), f. eks. av tinnoksyd, et kadmiumsulfidlag (14) og et kobbersulfidlag (16). Forbindelsen mellom lagene (14 og 16) er fotoelektrisk. For å danne en kontakt på kobbersulfidlaget foreslås en damputfelling av et blandet lag av kobber og kobberoksyd på sulfidlaget. Det er også foreslått en varmebehandling etter dannelsen av den bakre kontakt for å optimalisere cellens elektriske ytelse.

Description

Oppfinnelsen vedrører kadmiumsulfid-solceller og fremstilling av disse.

De forberedende trinn ved fremstilling av en kadmi-umsulf id-solcelle skal først beskrives under henvisning til fig. 1 på tegningen, som viser et snitt gjennom en delvis oppbygget solcelle.

Et substrat 10, fremstilt f. eks. av glass, beleg-ges med et materiale, såsom tinnoksyd eller indiumtinnoksyd, for dannelsen av en transparent frontkontakt. Et kadmiumsulfidlag 14 blir deretter tilformet for å ligge over kontakten 12. Dette siste trinn kan oppnås ved hjelp av flere forskjellige teknikker innbefattende damputfelling, sputter-ing, sintring og sprøyting. Hver av disse teknikker har sine tilhørende fordeler og ulemper med hensyn til utfellingshas-tighet og kornstørrelse som påvirker fremstillingskostnadene og celleytelsen. Ved den foretrukkede teknikk blir en for-løperoppløsning sprøytet på det forvarmede substrat.

Det neste trinn innbefatter dannelsen av et kobbersulf idlag , og også her kan flere forskjellige teknikker bli benyttet for å oppnå dette trinn. Den foretrukkede metode bringer substratet til å reagere med en oppløsning som inneholder kobberioner, f. eks. ved dypping, med det resultat at den øvre flate av kadmiumsulfidlaget 14 blir omformet til et kobbersulfidlag 16, som mellom lagene 14 og 16 danner en fotoelektrisk forbindelse. Kobbersulfidlaget er ikke støkio-metrisk, idet det er noe mindre enn to atomer kobber for hvert svovelatom.

Det som nå gjenstår er å danne den bakre kontakt for å gi ohmsk kontakt med kadmiumsulfidlaget. Det har allerede vært forsøkt å danne et lag av rent kobber over kobbersulfidlaget ved damputfelling av en tykk film. Denne metode har imidlertid den ulempe at detn maksimale strømutgang (kortslutningsstrøm) for cellen er betydelig redusert på grunn av en tilsynelatende økning i indre motstand for cellen.

En forklaring for den tilsynelatende -økning i indre motstand for cellen kan finnes i en artikkel av F. Pfisterer et al, side 762 i "the Proceedings of the International Conference of Photovoltaic Solar Energy", holdt i Cannes, Frankrike, 27. -.31. oktober 1980. Denne artikkel som er resultatet av arbeide som er gjennomført ved universitetet i Stuttgart foreslår at kobber-til-kobber-sulfidgrenseflaten danner en Schottky-barriére som på uheldig måte påvirker cellens effektivitet.

Den løsning som er foreslått av forskerne ved Stuttgart-universitetet omfatter reduksjon av flaten av kobbersulf idlaget mot rent kobber ved å utsette laget for en hydrogen glødeutladning og derpåfølgende oppvarming av det rene kobberlag i luft for gjentatt oksydering av kobberet. Ved denne kombinasjon av trinn vil flaten for kobbersulfidlaget bli omdannet til kobberoksyd som ikke danner en Schottky-barriére til kobbersulfidlaget.

Mens.dette forslag har vært gunstig med hensyn

til å forbedre cellens effektivitet, lider den fremdeles av ulempene sett ut fra synspunktet fremstilling i stor måle-stokk. De fleste fordeler skriver seg fra det faktum at man ikke kan lett danne en ohmsk kontakt med dén tynne film av kobberoksyd fordi lagmotstanden for filmen er høy og fordi det er vanskelig å lodde direkte på filmen. Den celle som er foreslått av forskerne ved Stuttgart-universitetet består av et glasslaminat.,. i. hvilket...den .hedre .glassplate^bærér.... kadmiumsulfidlaget og den andre glassflate bærer et gullbe-lagt kobbergitter som mekanisk presses mot dette filmkobber-oksydlag på de enkelte celler for dannelsen av denønskede kontakt.. En gullbelegning er krevet for at kontakten skal bli ohmsk.

Konstruksjonen av dette glasslaminat er beskrevet i artikkelen utgitt ved samme konferanse av W. Arndt et al med tittel "Integrated Copper Sulphide Cadmium Sulphide Thin rFilm-Solar Cell Panels with higher output voltages". Selv om denne oppbygging skal ha visse fordeler sett ut fra lang oppdriftstid (se artikkelen av W. H. Bloss et al ved samme konferanse), fremgår det at fremstillingen av derTbakre kontakt innbefatter like mange trinn som fremstilling av hele cellen. I tillegg til dette må kontaktgitteret, som tidligere nevnt, bli belagt med gull som tilføyer ytterligere kostnader til fremstilling. Glasslaminatet medfører begrensning av størrelsen for platen, da trykket må anbringes på alle celler i platen for å holde kontaktgitteret mot kobberoksydlagene.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å tilveiebringe en fremgangsmåte for dannelsen av kontakt med kobbersulfidlag i en kadmiumsulfid-celle, som er mindre dyr å fullføre enn de tidligere foreslåtte fremgangsmåter og like-vel ikke i alvorlig grad påvirker solcellens ytelse.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det til-veiebragt en fremgangsmåte for dannelsen av en elektrisk kontakt med kobbersulfidlaget i en kadmiumsulfid-kobbersulfid-solcelle, i hvilken et tykt kobber og kobberoksydlag utfelles på kobbersulfidlaget.

Inntil nu er ved utfelling:, av kobber på kobbersulf idlaget tatt hensyn til at man bestandig skal holde laget så rent som mulig. I motsetning hertil foreslår fore-, liggende oppfinnelse innføring av oksygen i systemet under fordampning for å gi en blandet utfelling av kobber og kobberoksyd ved grenseflaten med kobbersulfid for å unngå Schottky-barriéreeffekten. På grunn av utfellingen av dette tykke kobberholdige lag kan man nå lodde ledninger direkte til de kobberholdige lag, og en hvilken som helst egnet form for innkapsling kan bli benyttet for å sikre langtidsstabiliteten for cellene. Videre har det kobberholdige lag som har form av en tykk film en lavere sjiktmotstand enn den tynne film i den tidligere kjente teknikk, slik at det ikke lenger er vesentlig for kontakten at den dannes over hele lagområdet.

Fortrinnsvis blir cellen etter damputfelling av det kobberholdige lag utsatt for en varmebehandling ved oppvarming i luft i et forutbestemt tidsrom. En varmebehandling består av oppvarming til 150°C i ti minutter, noe man har funnet optimaliserer effektiviteten for cellen. Formå-let med varmebehandlingen tror man er å bevirke en migrering av kobber for således å forbedre støkiometrien for kobbersulfidlaget for å gi en høy diffusjonslengde for minoritets-bærere. Temperaturen med hvilken varmebehandlingen gjennom- føres og varigheten for utsettelsen for oksygen er viktig fordi ved overskridelse av optimal varmebehandling vil effek-. tiviteten for cellen igjen avta på grunn av dannelsen av kupri- i steden for kuprooksyder. Da kuprioksyd er en isola-tor, vil sjiktmotstanden for materialet også øke når konsen-trasjonen av kupriioner øker.

Fordelene ved varmebehandlingen har allerede blitt diskutert i de foran nevnte artikler, men det skal bemerkes at ekstra blandet utfelling av kobber og kobberoksyd som damputfelles i samsvar med foreliggende oppfinnelse gir et kobberforråd, fra hvilket kobberioner kan trekkes ut for å forbedre støkiometrien for kobbersulfidlaget.

Oppfinnelsen skal nu beskrives ytterligere ved hjelp av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1, som tidligere anført, et skjematisk snitt gjennom en delvis oppbygget solcelle, og

fig. 2 et snitt gjennom en solcelle ifølge oppfinnelsen.

På fig. 2 er lagene 10, 12, 14 og 16 dannet på den måte som er beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 1. Lag 18 er en blandet utfelling av kobber og kobberoksyd som dannes ved en utfellingsteknikk, såsom damputfelling. Kobber-damp utfelles på kobbersulfidlaget 16 i en oksygenholdig atmosfære, hvorved temperaturen og oksygenkonsentrasjonen er slik at et blandet lag som inneholder kuprooksyd utfelles som en tykk film over kobbersulf idlaget. "Hvis ønsket kan oksygenkonsentrasjonen reduseres når filmtykkelsen bygges opp for å gi en større oksygenkonsentrasjon ved grenseflaten med kobbersulfid enn ved den øvre flate av laget.

Etter utfellingen av blandet kobber og kobberoksydlag blir substratet varmebehandlet til en temperatur på ca. 150°C i ti minutter i luft. Denne varmebehandling resul-terer i en vesentlig forbedring i den elektriske ytelse for cellen, noe som antas å være resultatet av forbedringen i støkiometrien for kobbersulfidlaget som et resultat av migrer-ingen av kobberioner fra kobberoksydlaget.

For å illustrere forbedringen som oppnås i en celleytelse som oppnås med foreliggende oppfinnelse, skal det nå betraktes den åpne kretsspenning og kortslutnings-strømmen for en celle som måler 1 cm x 1 cm. I tilfelle av en celle som er fremstilt ved utfelling av kobber direkte på kobbersulfidlaget, vil den maksimale åpne kretsspenning være 2 milliampere. I en celle som i samsvar med oppfinnelsen har et blandet kobber og kobberoksydlag utfelt på kobbersulfidlaget, vil før varmebehandlingen den åpne kretsspenning være 150 mV, men kortslutningsstrømmen nu er 5 mA. Etter varmebehandlingen stiger den åpne kretsspenning til 450 mV, og kortslutningsstrømmen stiger til 15 mA.

Hvilken som helst av flere metoder kan nu bli benyttet for å tilveiebringe en ohmsk kontakt med det blandede kobber og kobberoksydlag 18. På fig. 2 er det vist et lag av loddemetall 20 som kan anbringes på vanlig måte og en kob-berutgangselektrode 22. Utgangselektroden 22 kan danne en del av et tykkfilmsutfelt gitter som forbinder cellene i en plate i serie, parallelt eller på annen ønsket grupperings-måte for å oppnå den ønskede utgangsstrøm og utgangsspenning.

Etter dannelsen av utgangselektrodene kan de øvre flater av cellen bli belagt f. eks. med en epoksyharpiks for å forhindre forurensning og gi mekanisk beskyttelse til cellen. En slik innkapslingsmetode sikrer langtidsstabilitet for cellen, mens det er billigere å gjennomføre en såkalt "glasslaminering", som er beskrevet ovenfor.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for dannelsen av elektrisk kontakt med kobbersulfidlaget i en kadmiumsulfid-kobbersulfid-solcelle, karakterisert ved at et tykt kobber og kobberoksydlag (18) utfelles på kobbersulfidlaget.

2. Fremgangsmåte til fremstilling av en kadmiumsulfid-solcelle, omfattende trinnene med dannelsen av en frontkontakt ved belegging av et substrat med et elektrisk ledende materiale, dannelsen over frontkontakten et lag av kadmiumsulfid, dannelsen av et kobbersulfidlag over kadmiumsulfidlaget for dannelsen av en fotoelektrisk forbindelse og dann-else av en bakre kontakt på kobbersulfidlagene, karakterisert ved at den bakre kontakt dannes ved utfelling på kobbersulfidlaget (16) av et blandet lag av kobber og kobberoksyd (18).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at etter utfellingen av kobber og kobberoksydlaget blir cellen utsatt for en varmebehandling for å bevirke migrering av kobberioner for å forbedre den elektriske ytelse for cellen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at varmebehandlingen omfatter behandling av cellen ved en temperatur på 150°C i ti minutter i luft.

5. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 2, 3 og 4, karakterisert ved at det etter dannelsen av den bakre kontakt foretas en innkapsling av cellen.