WO1998038683A1 - Weather and corrosion-resistant layer structure - Google Patents

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WO1998038683A1
WO1998038683A1 PCT/EP1998/000832 EP9800832W WO9838683A1 WO 1998038683 A1 WO1998038683 A1 WO 1998038683A1 EP 9800832 W EP9800832 W EP 9800832W WO 9838683 A1 WO9838683 A1 WO 9838683A1
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layer
barrier
barrier layer
corrosion
thin
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Volker Probst
Jörk RIMMASCH
Walter Stetter
Hermann Calwer
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Siemens Aktiengesellschaft
Siemens Solar Gmbh
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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
    • H01L31/048—Encapsulation of modules
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    • 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 a layer structure with at least one moisture and / or corrosion sensitive layer arranged on a substrate, in particular an optically and / or electrically active thin layer.
  • a layer structure with at least one moisture and / or corrosion sensitive layer arranged on a substrate, in particular an optically and / or electrically active thin layer.
  • Such layers are found, for example, in optical or electrical components. Examples of these are radiation-sensitive components such as detectors, solar cells or solar modules, or optoelectronic components such as display devices and in particular LCD screens.
  • solar modules In order to meet the quality requirements in demand on the market, solar modules have to successfully undergo a number of different test procedures.
  • One of these methods which is supposed to check the climate resistance of the solar modules, is the steam-heat climate test.
  • the modules According to the well-known standard IEC 1215, the modules are exposed to a temperature of 85 ° C at 85 percent relative humidity for 1000 hours.
  • Laminated solar modules with boron-doped zinc oxide electrode layers show an unusually strong degradation in this test method, ie an inadmissibly high decrease in efficiency after the climate test.
  • the main reason for this is their instability with regard to the conductivity of the boron-doped CVD zinc oxide layers against water vapor at elevated temperatures.
  • the surface resistance of such layers increases after the test by a factor of more than 10 ⁇ to a value of more than 1 k ⁇ / square.
  • a value of less than 10 ⁇ / square is required to achieve a high fill factor for solar modules. This can be achieved by simple encapsulation with a laminate structure using a ner adhesive film and possibly a second glass pane can not be reached.
  • CIGS Iron (Gallium) diselenide
  • the absorber shows degradation phenomena on the surfaces that are exposed to the climate test conditions unprotected or only covered with a conventional laminate structure.
  • the back electrode which is made of molybdenum, additional climate-independent degradations occur at the interface with the CIGS absorber layer.
  • One way of preventing moisture from diffusing into a laminate and in particular into a solar module is to extend the diffusion path for the moisture.
  • laminates with a sufficiently wide edge of more than 15 cm the degradation of a boron-doped zinc oxide layer is delayed sufficiently.
  • such a wide margin is unacceptable for a solar module because of the then high proportion of inactive module surface.
  • the object of the present invention is to provide a layer structure which is insensitive to moisture and / or corrosion and which can be produced simply and without too much additional production expenditure and which has increased stability both in relation to the test conditions specified and in conventional use.
  • a moisture and / or corrosion-sensitive layer can be easily protected against a climatic and, in particular, moist by an additional barrier layer applied directly above the layer. degradation-related or can be protected.
  • an additional barrier layer can be used, for example, to obtain thin-film solar modules which can withstand the steam-heat climate test mentioned at the outset without any appreciable loss in performance and without any visible corrosion damage.
  • the layer structure is part of an electrical or optical component in which the barrier layers have a vapor barrier and / or a corrosion protection effect, parts of the component which are optically active and / or working with electrical potential differences being covered with electrically insulating barrier layers layers with no potential difference, on the other hand, with conductive barrier layers.
  • the moisture and / or corrosion sensitive layer in the sense of the invention is a substrate-bound layer, which can be applied as a thin or thick layer and is amorphous, polycrystalline or metallic.
  • the additional barrier layer is a thin layer which is selected from aluminum oxide Al2O3, silicon nitride Si3N4 # titanium nitride TiN, molybdenum nitride MoN and silicon oxynitride SiO x Ny.
  • a thin layer is simple and inexpensive to produce and can be easily integrated into the manufacturing process of the moisture or corrosion-sensitive layer or of the layer structure or component containing this layer, in particular if the layer structure itself is a thin layer structure.
  • the barrier layer adapts to the function of the covered layer and is, for example, optically transparent, electrically conductive or insulating, it shows no negative influence on the Layer structure. It neither impairs the operation of an optical or electrical component containing the layer structure, nor does it impair its properties.
  • the thin-film barrier layers mentioned can be classified as dense, i.e. Deposit pore-free, optically transparent and edge-covering layers in known processes. Depending on the density or the freedom from pores with which such a layer can be produced, a barrier layer of 100 nm thickness may be sufficient to ensure complete protection against moisture and / or corrosion. A thicker barrier layer is of course possible, but not necessary. In the case of deposition processes which lead to barrier layers which are not completely pore-free or not completely homogeneous or which do not cover edges well, a higher layer thickness is preferably selected. If there are high topography levels on the layer structure, a layer thickness of up to approximately 2 ⁇ m is chosen for good edge coverage of the barrier layer.
  • Plasma-assisted CVD processes are particularly preferred for the production of both dense and well-covering barrier layers of small layer thickness with the lowest possible deposition temperatures.
  • the barrier layer has good adhesion to most materials used as an electrical or optical functional layer. If necessary, an adhesion promoter layer may also be required.
  • the layer structure according to the invention has the barrier layer as an additional layer to the conventional layer structure comprising one or any number of layers, it can also be covered with a conventional cover, for example with a laminate structure.
  • a laminate structure In the case of solar modules, it is in particular a laminate which is at least still an artificial Layer of material and optionally a protective film and / or a cover plate made of glass.
  • the plastic layer is preferably a hot-melt adhesive layer on which the cover film and optionally the glass pane are also laminated.
  • Other components can additionally or alternatively be covered or encased with other covers, for example with cast resin layers or other casting compounds, over the barrier layer.
  • the barrier layer as the uppermost and covering layer is sufficient to protect the solar cell.
  • the barrier layer according to the invention is particularly suitable for a laminate structure, since it has good adhesion to or under conventional hotmelt adhesive layers used for this purpose.
  • the good adhesion of the hot-melt adhesive film and thus of the entire laminate structure leads to an additional improved seal which prevents the diffusion of
  • the barrier layer is arranged over the edge of the layer to be protected so that its entire surface, including the side walls, is covered. To the side of the sensitive layer, the barrier layer closes with a climate-stable layer. Such layers are sealed against moisture and / or hot and humid environments and do not show any corrosion or other disadvantageous changes even after prolonged exposure.
  • the barrier layer preferably encloses the moisture-sensitive thin layer from above and from the side and, for example, excludes it at the bottom edge Glass existing substrate, a metal layer or a passivation layer.
  • the passivation layer can also be a barrier layer.
  • silicon oxide is also suitable for special applications.
  • Titanium and molybdenum nitride can be made electrically conductive and are also particularly hard and scratch-resistant. It is therefore suitable as a passivation layer for, in particular, metallic and therefore, in principle, corrosion-sensitive electrode layer, as is used in particular as a lower electrode for thin-film components.
  • the barrier layers show good adhesion to all of the layers mentioned and thus form moisture-tight and chemically stable interfaces to these layers.
  • the layer structure is an electrical component with at least two electrodes, in which one electrode is formed from an electrode layer arranged directly above the substrate.
  • This electrode layer can be structured to produce the above-mentioned electrode and thus represent an electrode structure as is particularly suitable for integrated series-connected thin-film solar modules.
  • the electrical connections for the at least two electrodes can also be formed from this lower electrode layer and led out laterally from the region of the component.
  • Such an arrangement has the advantage that, compared to a conventional arrangement with, for example, soldered electrical connections, it can be made particularly flat without additional structural steps. This facilitates an edge covering covering with the barrier layer according to the invention.
  • Those led out of the layer structure of the component under the barrier layer and out of the first electrode layer trained electrical connections can consist of a corrosion-resistant metal. However, they are preferably covered with the electrically conductive passivation layer mentioned, in particular a titanium or molybdenum nitride layer.
  • the passivation layer can completely cover the lower electrode layer and can be structured accordingly. It is also possible to cover the lower electrode layer only in the area of the electrical connections with the passivation layer, and in particular only in the area of the implementation of the connections under the barrier layer.
  • Another advantageous embodiment of the invention relates to the CIGS thin-film solar modules already mentioned.
  • a defined alkali content is required in the CIGS absorber layer for maximum efficiency of the solar cell.
  • a barrier layer according to the invention which is designed as a passivation layer, can advantageously be placed over the base or back electrode deploy.
  • a barrier layer made of titanium or molybdenum nitride can simultaneously serve as a passivation layer for the electrical connections leading to the outside or as a barrier layer for the entire lower electrode. It has particularly good adhesion to an additional barrier layer above the solar cell and thus forms a particularly good and tight interface to the barrier layer.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a test arrangement with a climate-sensitive thin layer.
  • FIGS 2 to 5 show schematic cross sections through climate-stable layer arrangements.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section
  • FIGS. 7 and 8 show a special application of the invention on the basis of schematic cross sections through a series-connected thin-film solar cell.
  • FIG. 1 shows a thin-layer arrangement serving as a test structure with a known encapsulation.
  • a carrier consisting of a 2 mm thick window glass (soda-lime glass)
  • a 1.5 ⁇ m thick boron-doped zinc oxide layer 2 is applied by means of the CVD process in such a way that the carrier 1 remains free in the entire peripheral edge area.
  • Metal contact strips 3 are now soldered on two opposite sides in such a way that the electrical surface conductivity of the zinc oxide layer 2 can be reliably determined.
  • a conventional laminate structure 5 is now produced above this, for example by laminating an approximately 0.5 mm thick EVA film at approximately 160 ° C.
  • the laminate structure has an overlap area of 1 cm with the substrate on the side of the thin-layer arrangement.
  • FIG. 2 now shows a first construction according to the invention, in which a boron-doped zinc oxide layer 2 arranged on a substrate 1 with electrode strips 3 applied thereon is again used as the test structure.
  • a barrier layer 4 is now applied over this arrangement.
  • a plasma CVD method is used for application, which can be carried out at low process temperatures of, for example, 200 to 300 ° C.
  • a barrier layer 4 of approximately 0.5 to 2 ⁇ m and in particular 0.8 ⁇ m thick silicon nitride is deposited at 200 ° C. in a plasma CVD process.
  • the barrier layer is deposited in such a way that the thin layer 2 is completely covered with the barrier layer 4.
  • the likewise electrically insulating Al 2 O 3 and SiO x N y layers can also be used as barrier layers.
  • a laminate structure 5 is applied above this, as already described in FIG.
  • the thin layer arrangement according to the invention survives the climatic test without detectable degradation, that is to say without the initial surface conductivity of the thin layer being reduced. Since, as stated, this parameter is an excellent probe for the detection of exposure to moisture, this measurement result shows the high effectiveness of the encapsulation according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section of a layer structure in which a moisture-sensitive layer and in particular a thin layer 2 are arranged on a substrate 1 between a lower electrode 3a and an upper electrode 3b.
  • electrical connections 6 are provided which are formed directly on the substrate by structuring the lower electrode layer 3a. While the lower electrode 3a is contacted via an electrical connection 6, the upper electrode 3b is connected to the electrical connection 6 ', which is connected by a Structure line is electrically isolated from the lower electrode 3a.
  • a barrier layer 4 is now applied over this arrangement, which completely covers the upper electrode 3b and the thin layer 2. The masked application or subsequent structuring of the barrier layer exposes the electrical connections 6 and 6 'and does not cover the barrier layer 4.
  • the climate-tight encapsulation of the component shown here can be reinforced by applying a laminate structure 5 according to FIGS. 1 or 2.
  • the thin-film component can be a solar cell, for example.
  • Figure 4 shows a further embodiment of the invention. This differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the lower electrode layer 3a is completely covered with a metallically conductive passivation layer 7 before structuring.
  • the further structure corresponds to the exemplary embodiment described with reference to FIG. 3.
  • the lower electrode layer which can consist, for example, of a corrosion-sensitive metal, is also protected against moisture and other external corrosion-promoting effects by the electrically conductive passivation layer 7.
  • This arrangement is implemented, for example, in a CIGS solar cell which, for example, a glass substrate 1, a molybdenum back electrode 3a, a titanium or molybdenum nitride passivation layer 7, the thin layer 2 with the CIGS absorber layer having a semiconductor junction, and an upper electrode 3b, for example one Boron doped zinc oxide electrode.
  • the barrier layer 4 is a by CVD or plasma CVD applied thin film made of aluminum oxide, silicon nitride or silicon oxynitride.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 differs from the exemplary embodiment described with reference to FIG. 4 in that the lower electrode layer 3a is covered with an electrically conductive passivation layer 7 and 7 'only in the area of the electrical connections 6 and 6'.
  • the passivation layer can either be applied masked or applied over the entire surface immediately before the structuring of the lower electrode layer 3a and then structured.
  • the passivation layer is deposited or sputtered on using a thin-film process such as reactive sputtering or a plasma-assisted CVD process.
  • a thin-film process such as reactive sputtering or a plasma-assisted CVD process.
  • 100 to 150 nm layer thickness is sufficient for a titanium nitride layer.
  • FIG. 6 shows, on the basis of a schematic cross section, a possibility of structuring a thin layer 2 arranged between two electrodes 3a and 3b by means of two separating joints 8 extending to a climate-stable layer, in order to subsequently apply a barrier layer 4 (not shown) in the separating joints 8 to achieve a climate-tight seal or a climate-tight adhesion of the barrier layer on the underlying climate-stable layer.
  • a passivation layer 7 above the lower electrode 3a serves as a climate-stable layer.
  • FIGS. 7 and 8 show a further embodiment of the invention on the basis of schematic cross sections through a solar module with integrated series-connected solar cells in thin-film construction.
  • the solar cell is applied, for example, to a substrate 1 and comprises a lower electrode 3a, a thin layer 2 with the semiconductor structure and an upper electrode 3b.
  • the solar cells are structured, for example, in the form of strips, with a series connection with the respectively adjacent strip-shaped solar cell being achieved by leading a strip-shaped upper electrode 3b down onto the respectively adjacent strips of the lower electrode 3a.
  • the first structuring step serves for structuring the lower electrode 3a, the second for structuring the semiconductor layers (thin layer) 2 and the third for separating the upper electrode 3b.
  • the latter structuring step either the semiconductor layer
  • FIG. 7 shows structuring trenches P3 reaching as far as the lower electrode 3a.
  • edge-covering barrier layer 4 is filled and leveled by overgrowth.
  • the barrier layer 4 is applied to a surface which projects beyond the layer structure on all sides and also overlaps the electrical connections 6 and 6 '.
  • the barrier layer 4 can then be partially removed again via the electrical connections 6 and 6 ′ in order to enable an external electrical connection, for example by soldering on metal strips 9.
  • the barrier layer also takes place after the metal strips 9 have been soldered on so that the solder joint is also covered by the barrier layer 4. In this way, the passivation layer (7) for the lower electrode 3a can be omitted.
  • the climate and corrosion-stable encapsulation of any layer structures and in particular large-area thin-layer arrangements which have layers sensitive to climate and corrosion are achieved. It is particularly suitable for the climate-tight encapsulation of solar cells, but of course it is not restricted to such. The invention is particularly suitable for those thin-film arrangements which are exposed to hot and / or humid environments. Of course, this also applies to layer structures that are usually not exposed to such corrosion-supporting environmental conditions.

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Abstract

The invention relates to a weather- and corrosion-resistant layer structure whereby a layer structure which has at least one corrosion- and/or moisture-sensitive layer, such as a solar cell, is encapsulated in such a way that it is weather- and corrosion-resistant by placing a barrier layer over said corrosion- or moisture-sensitive layer. Thin-layers consisting of titanium- or molybdenum nitride, aluminum oxide, silicon nitride and silicon oxynitride are provided for this purpose. The barrier layer can be combined with a supplementary laminate structure of the type found in solar cells.

Description

Beschreibungdescription
Klima- und korrosionsstabiler Schichtaufbau.Climate and corrosion-stable layer structure.
Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau mit zumindest einer auf einem Substrat angeordneten feuchtigkeits - und/oder korrosionsempfindlichen Schicht, insbesondere einer optisch und/oder elektrisch aktiven Dünnschicht. Solche Schichten befinden sich zum Beispiel in optischen oder elektrischen Bau- elementen. Beispiele dafür sind strahlungsempfindliche Bauelemente wie beispielsweise Detektoren, Solarzellen oder Solarmodule, oder optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Anzeigevorrichtungen und insbesondere LCD-Schirme.The invention relates to a layer structure with at least one moisture and / or corrosion sensitive layer arranged on a substrate, in particular an optically and / or electrically active thin layer. Such layers are found, for example, in optical or electrical components. Examples of these are radiation-sensitive components such as detectors, solar cells or solar modules, or optoelectronic components such as display devices and in particular LCD screens.
Um die am Markt gefragten Qualitätsanforderungen zu erfüllen, müssen Solarmodule eine Reihe unterschiedlicher Testverfahren erfolgreich durchlaufen. Eines dieser Verfahren, das die Klimabeständigkeit der Solarmodule überprüfen soll, ist der Damp-Heat-Klimatest . Nach der bekannten Norm IEC 1215 werden die Module dabei unter anderem für 1000 Stunden einer Temperatur von 85° C bei 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt.In order to meet the quality requirements in demand on the market, solar modules have to successfully undergo a number of different test procedures. One of these methods, which is supposed to check the climate resistance of the solar modules, is the steam-heat climate test. According to the well-known standard IEC 1215, the modules are exposed to a temperature of 85 ° C at 85 percent relative humidity for 1000 hours.
Laminierte Solarmodule mit bordotierten Zinkoxidelektroden- schichten zeigen bei diesem Testverfahren eine ungewöhnlich starke Degradation, also eine unzulässig hohe Abnahme des Wirkungsgrads nach dem Klimatest. Hauptverantwortlich dafür ist deren Instabilität bezüglich der Leitfähigkeit der bordotierten CVD-Zinkoxidschichten gegen Wasserdampf bei erhöh- ter Temperatur. Wie an Testlaminaten, bestehend nur aus einer, mit Testelektroden versehenen laminierten Zinkoxidschicht, gezeigt werden konnte, steigt der Flächenwiderstand solcher Schichten nach dem Test um einen Faktor von mehr 10^ auf einen Wert- von mehr als 1 kΩ/Square. Zur Erreichung eines ho- hen Füllfaktors bei Solarmodulen ist jedoch ein Wert von weniger als 10 Ω/Square erforderlich. Dies kann durch eine einfache Verkapselung mit einem Lamininataufbau mit Hilfe ei- ner Klebefolie und gegebenenfalls einer zweiten Glasscheibe nicht erreicht werden.Laminated solar modules with boron-doped zinc oxide electrode layers show an unusually strong degradation in this test method, ie an inadmissibly high decrease in efficiency after the climate test. The main reason for this is their instability with regard to the conductivity of the boron-doped CVD zinc oxide layers against water vapor at elevated temperatures. As could be shown on test laminates consisting only of a laminated zinc oxide layer provided with test electrodes, the surface resistance of such layers increases after the test by a factor of more than 10 ^ to a value of more than 1 kΩ / square. However, a value of less than 10 Ω / square is required to achieve a high fill factor for solar modules. This can be achieved by simple encapsulation with a laminate structure using a ner adhesive film and possibly a second glass pane can not be reached.
Weitere klima- und korrosionsempfindliche Komponenten finden sich bei Dünnschicht-Solarmodulen aus Kupfer-IndiumFurther components sensitive to climate and corrosion can be found in thin-film solar modules made of copper indium
(Gallium) diselenid (CIGS) . Dort zeigt der Absorber Degradati- onserscheiungen an den Oberflächen, die ungeschützt oder nur mit einem herkömmlichen Laminataufbau abgedeckt den Klimatestbedingungen ausgesetzt werden. An der aus Molybdän beste- hende Rückelektrode treten zusätzliche klimaunabhängige Degradationen an der Grenzfläche zur CIGS-Absorber schicht auf.(Gallium) diselenide (CIGS). There, the absorber shows degradation phenomena on the surfaces that are exposed to the climate test conditions unprotected or only covered with a conventional laminate structure. On the back electrode, which is made of molybdenum, additional climate-independent degradations occur at the interface with the CIGS absorber layer.
Eine Möglichkeit, das Eindiffundieren von Feuchtigkeit in ein Laminat und insbesondere in ein Solarmodul zu verhindern, be- steht in der Verlängerung der Diffusionswegstrecke für die Feuchtigkeit. Bei Laminaten mit einem ausreichend breiten Rand von mehr als 15 cm wird die Degradation einer bordotierten Zinkoxidschicht ausreichend verzögert . Ein solch breiter Rand ist jedoch bei einem Solarmodul wegen des dann hohen An- teils inaktiver Moduloberfläche inakzeptabel.One way of preventing moisture from diffusing into a laminate and in particular into a solar module is to extend the diffusion path for the moisture. With laminates with a sufficiently wide edge of more than 15 cm, the degradation of a boron-doped zinc oxide layer is delayed sufficiently. However, such a wide margin is unacceptable for a solar module because of the then high proportion of inactive module surface.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen feuchtig- keits - und/oder korrosionsunempfindlichen Schichtaufbau anzugeben, der einfach und ohne zu hohen zusätzlichen Ferti- gungsaufwand herzustellen ist und der sowohl gegenüber den angegebenen Testbedingungen als auch bei einer herkömmlichen Verwendung eine erhöhte Stabilität aufweist.The object of the present invention is to provide a layer structure which is insensitive to moisture and / or corrosion and which can be produced simply and without too much additional production expenditure and which has increased stability both in relation to the test conditions specified and in conventional use.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schichtaufbau nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schichtaufbaus sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention by a layer structure according to claim 1. Preferred embodiments of the invention and a method for producing the layer structure can be found in further claims.
Überraschend hat sich gezeigt, daß eine feuchtigkeits und/oder korrosionsempfindliche Schicht durch eine zusätzliche und direkt über der Schicht aufgebrachte Sperrschicht in einfacher Weise vor einer klima- und insbesondere feuchtig- keits- oder korrosionsbedingten Degradation geschützt werden kann. Mit einer solchen zusätzlichen Sperrschicht können beispielsweise Dünnschichtsolarmodule erhalten werden, die den eingangs genannten Damp-Heat-Klimatest ohne nennenswerte Lei- stungseinbuße und ohne sichtbare Korrosionsschaden überstehen.Surprisingly, it has been shown that a moisture and / or corrosion-sensitive layer can be easily protected against a climatic and, in particular, moist by an additional barrier layer applied directly above the layer. degradation-related or can be protected. Such an additional barrier layer can be used, for example, to obtain thin-film solar modules which can withstand the steam-heat climate test mentioned at the outset without any appreciable loss in performance and without any visible corrosion damage.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schichtaufbau Teil eines elektrischen oder optischen Bauele- ments, bei dem die Sperrschichten eine Dampfsperr- und/oder eine Korrosionsschutzwirkung haben, wobei optisch aktive und/oder mit elektrischen Potentialdifferenzen arbeitende Teile des Bauelements mit elektrisch isolierenden Sperrschichten bedeckt sind, Schichten ohne Potentialdifferenz da- gegen mit leitfähigen Sperrschichten.In a preferred embodiment of the invention, the layer structure is part of an electrical or optical component in which the barrier layers have a vapor barrier and / or a corrosion protection effect, parts of the component which are optically active and / or working with electrical potential differences being covered with electrically insulating barrier layers layers with no potential difference, on the other hand, with conductive barrier layers.
Die feuchtigkeits - und/oder korrosionsempfindliche Schicht im Sinne der Erfindung ist eine substratgebundene Schicht, die als Dünn- oder Dickschicht aufgebracht sein kann und amorph, polykristallin oder metallisch ist.The moisture and / or corrosion sensitive layer in the sense of the invention is a substrate-bound layer, which can be applied as a thin or thick layer and is amorphous, polycrystalline or metallic.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zusätzliche Sperrschicht eine Dünnschicht, die ausgewählt ist aus Aluminiumoxid AI2O3, Siliziumnitrid Si3N4# Titannitrid TiN, Molybdännitrid MoN und Siliziumoxinitrid SiOxNy. Eine solche Dünnschicht ist einfach und kostengünstig herzustellen und läßt sich in einfacher Weise in den Herstellprozeß der feuchtigkeits- oder korrosionsempfindlichen Schicht beziehungsweise des diese Schicht enthaltenden Schichtaufbaus oder Bauelements integrieren, insbesondere wenn der Schichtaufbau selbst ein Dünnschichtaufbau ist.In a preferred embodiment of the invention, the additional barrier layer is a thin layer which is selected from aluminum oxide Al2O3, silicon nitride Si3N4 # titanium nitride TiN, molybdenum nitride MoN and silicon oxynitride SiO x Ny. Such a thin layer is simple and inexpensive to produce and can be easily integrated into the manufacturing process of the moisture or corrosion-sensitive layer or of the layer structure or component containing this layer, in particular if the layer structure itself is a thin layer structure.
Damit werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus keine zusätzlichen Apparaturen benötigt. Da sich die Sperrschicht der Funktion der abgedeckten Schicht anpaßt und zum Beispiel optisch transparent, elektrisch leitfähig oder isolierend ist, zeigt sie keinen negativen Einfluß auf den Schichtaufbau. Sie beeinträchtigt weder den Betrieb eines den Schichtaufbau enthaltenden optischen oder elektrischen Bauelements noch verschlechtert es dessen Eigenschaften.This means that no additional equipment is required to produce the layer structure according to the invention. Since the barrier layer adapts to the function of the covered layer and is, for example, optically transparent, electrically conductive or insulating, it shows no negative influence on the Layer structure. It neither impairs the operation of an optical or electrical component containing the layer structure, nor does it impair its properties.
Die genannten Dünnschicht-Sperrschichten lassen sich als dichte, d.h. porenfreie, optisch transparente und kantenbedeckende Schichten in bekannten Verfahren abscheiden. In Abhängigkeit von der Dichte bzw. der Porenfreiheit, mit der eine solche Schicht erzeugt werden kann, kann bereits eine Sperrschicht von 100 nm Dicke ausreichend sein, um einen vollständigen Feuchtigkeits- und/oder Korrosionsschutz zu gewährleisten. Eine dickere Sperrschicht ist natürlich möglich, aber nicht erforderlich. Bei Abscheideprozessen, die zu nicht ganz porenfreien oder nicht vollständig homogenen oder nicht nicht gut kantenbedeckenden Sperrschichten führen, wird vorzugsweise eine höhere Schichtdicke gewählt. Wenn hohe Topographiestufen auf dem Schichtaufbau vorhanden sind, wird für eine gute Kantenbedeckung der Sperrschicht eine Schichtdicke bis ca. 2 um gewählt.The thin-film barrier layers mentioned can be classified as dense, i.e. Deposit pore-free, optically transparent and edge-covering layers in known processes. Depending on the density or the freedom from pores with which such a layer can be produced, a barrier layer of 100 nm thickness may be sufficient to ensure complete protection against moisture and / or corrosion. A thicker barrier layer is of course possible, but not necessary. In the case of deposition processes which lead to barrier layers which are not completely pore-free or not completely homogeneous or which do not cover edges well, a higher layer thickness is preferably selected. If there are high topography levels on the layer structure, a layer thickness of up to approximately 2 μm is chosen for good edge coverage of the barrier layer.
Eine gute Kantenbedeckung wird mit einem CVD-Verfahren erreicht. Besonders bevorzugt zur Herstellung von sowohl dichten als auch gut kantenbedeckenden Sperrschichten geringer Schichtdicke bei geringstmöglichen Abscheide-Te peraturen sind plasmaunterstützte CVD-Verfahren.Good edge coverage is achieved with a CVD process. Plasma-assisted CVD processes are particularly preferred for the production of both dense and well-covering barrier layers of small layer thickness with the lowest possible deposition temperatures.
Die Sperrschicht weist auf den meisten als elektrische oder optische Funktionsschicht verwendeten Materialien eine gute Haftung auf. Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Haftvermitt- lerschicht erforderkich sein.The barrier layer has good adhesion to most materials used as an electrical or optical functional layer. If necessary, an adhesion promoter layer may also be required.
Da der erfindungsgemäße Schichtaufbau die Sperrschicht als zusätzliche Schicht zum herkömmlichen, eine oder beliebig viele Schichten umfassenden Schichtaufbau aufweist, kann sie noch mit einer herkömmlichen Abdeckung, beispielsweise mit einem Laminataufbau abgedeck sein. Bei Solarmodulen ist es insbesondere ein Laminat, welches zumindest noch eine Kunst- Stoffschicht sowie gegebenenfalls eine Schutzfolie und/oder eine Deckscheibe aus Glas umfaßt. Vorzugsweise ist die Kunststoffschicht eine Schmelzklebeschicht, auf der noch die Abdeckfolie und gegebenenfalls die Glasscheibe auflaminiert sind. Andere Bauelemente können über der Sperrschicht zusätzlich oder alternativ mit anderen Abdeckungen, beispielsweise mit Gießharzschichten oder sonstigen Vergußmassen abgedeckt oder umhüllt sein.Since the layer structure according to the invention has the barrier layer as an additional layer to the conventional layer structure comprising one or any number of layers, it can also be covered with a conventional cover, for example with a laminate structure. In the case of solar modules, it is in particular a laminate which is at least still an artificial Layer of material and optionally a protective film and / or a cover plate made of glass. The plastic layer is preferably a hot-melt adhesive layer on which the cover film and optionally the glass pane are also laminated. Other components can additionally or alternatively be covered or encased with other covers, for example with cast resin layers or other casting compounds, over the barrier layer.
In einer Anwendung der Erfindung für weltraumtaugliche beziehungsweise nur dort zu verwendende Solarzellen ist die Sperrschicht als oberste und abdeckende Schicht für einen Schutz der Solarzelle ausreichend.In an application of the invention for space-compatible solar cells or only to be used there, the barrier layer as the uppermost and covering layer is sufficient to protect the solar cell.
Die erfindungsgemäße Sperrschicht ist insbesondere für einen Laminataufbau geeignet, da sie eine gute Haftung auf beziehungsweise unter herkömmlichen dazu verwendeten Schmelzklebeschichten aufweist. Die gute Haftung der Schmelzklebefolie und damit des gesamten Laminataufbaus führt zu einer zusätz- lieh verbesserten Abdichtung, die das Eindiffundieren vonThe barrier layer according to the invention is particularly suitable for a laminate structure, since it has good adhesion to or under conventional hotmelt adhesive layers used for this purpose. The good adhesion of the hot-melt adhesive film and thus of the entire laminate structure leads to an additional improved seal which prevents the diffusion of
Feuchtigkeit entlang der Grenzflächen zwischen Schichtaufbau- und Laminat bzw. zwischen Sperrschicht und Laminat verhindern.Prevent moisture along the interfaces between the layered structure and the laminate or between the barrier layer and the laminate.
Beim erfindungsgemäßen Schichtaufbau ist die Sperrschicht kantenbedeckend so über der zu schützenden Schicht angeordnet, daß deren gesamte Oberfläche einschließlich der Seitenwände abgedeckt ist. Seitlich der empfindlichen Schicht schließt die Sperrschicht mit einer klimastabilen Schicht ab, Solche Schichten sind gegenüber Feuchtigkeit und/oder heißen und feuchten Umgebungen dicht und zeigen darin auch nach längerer Exposition keinerlei Korrosion oder sonstige nachteilige Veränderung.In the layer structure according to the invention, the barrier layer is arranged over the edge of the layer to be protected so that its entire surface, including the side walls, is covered. To the side of the sensitive layer, the barrier layer closes with a climate-stable layer. Such layers are sealed against moisture and / or hot and humid environments and do not show any corrosion or other disadvantageous changes even after prolonged exposure.
Vorzugsweise umschließt die Sperrschicht die feuchtigkeitsempfindlichen Dünnschicht von oben und von der Seite und schließt an der der Unterkante mit dem beispielsweise aus Glas bestehenden Substrat, einer Metallschicht oder einer Passivierungsschicht ab. Die PassivierungsSchicht kann ebenfalls eine Sperrschicht sein. Neben den bereits für die Sperrschicht genannten Materialien ist außerdem für besondere Anwendungen noch Siliziumoxid geeignet. Titan- und Molybdännitrid können elektrisch leitend eingestellt werden und sind außerdem besonders hart und kratzfest. Es ist daher als Pas- sivierungsschicht für insbesondere metallische und daher prinzipiell korrosionsempfindliche Elektrodenschicht geeig- net, wie sie insbesondere als untere Elektrode für Dünnschichtbauelemente verwendet werden. Auf all den genannten Schichten zeigen die Sperrschichten eine gute Haftung und bilden so feuchtigkeitsdichte und chemisch stabile Grenzflächen zu diesen Schichten aus.The barrier layer preferably encloses the moisture-sensitive thin layer from above and from the side and, for example, excludes it at the bottom edge Glass existing substrate, a metal layer or a passivation layer. The passivation layer can also be a barrier layer. In addition to the materials already mentioned for the barrier layer, silicon oxide is also suitable for special applications. Titanium and molybdenum nitride can be made electrically conductive and are also particularly hard and scratch-resistant. It is therefore suitable as a passivation layer for, in particular, metallic and therefore, in principle, corrosion-sensitive electrode layer, as is used in particular as a lower electrode for thin-film components. The barrier layers show good adhesion to all of the layers mentioned and thus form moisture-tight and chemically stable interfaces to these layers.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schichtaufbau ein elektrisches Bauelement mit zumindest zwei Elektroden, bei dem eine Elektrode aus einer direkt über dem Substrat angeordneten Elektrodenschicht ausgebildet ist . Diese Elektro- denschicht kann zur Herstellung der genannten Elektrode strukturiert sein und somit eine Elektrodenstruktur darstellen, wie sie insbesondere für integriert serienverschaltete Dünnschichtsolarmodule geeignet ist.In one embodiment of the invention, the layer structure is an electrical component with at least two electrodes, in which one electrode is formed from an electrode layer arranged directly above the substrate. This electrode layer can be structured to produce the above-mentioned electrode and thus represent an electrode structure as is particularly suitable for integrated series-connected thin-film solar modules.
Zusätzlich zu der erforderlichen Elektrodenstruktur können auch die elektrischen Anschlüsse für die zumindest zwei Elektroden aus dieser unteren Elektrodenschicht ausgebildet und seitlich aus dem Bereich des Bauelements herausgeführt werden. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sie gegenüber einer herkömmlichen Anordnung mit zum Beispiel aufgelöteten elektrischen Anschlüssen besonders flach ohne zusätzliche Strukturstufen ausgebildet werden kann. Dies erleichtert eine kantenbedeckende Umhüllung mit der erfindungsgemäßen Sperrschicht .In addition to the required electrode structure, the electrical connections for the at least two electrodes can also be formed from this lower electrode layer and led out laterally from the region of the component. Such an arrangement has the advantage that, compared to a conventional arrangement with, for example, soldered electrical connections, it can be made particularly flat without additional structural steps. This facilitates an edge covering covering with the barrier layer according to the invention.
Die aus dem Schichtaufbau des Bauelements unter der Sperrschicht herausgeführten und aus der ersten Elektrodenschicht ausgebildeten elektrischen Anschlüsse können dabei aus einem korrosionsbeständigen Metall bestehen. Vorzugsweise sind sie jedoch mit der genannten elektrisch leitenden Passivierungs- schicht, insbesondere einer Titan- oder Molybdännitridschicht abgedeckt. Die Passivierungsschicht kann die untere Elektrodenschicht vollständig bedecken und entsprechend dieser strukturiert sein. Möglich ist es auch, die untere Elektrodenschicht ausschließlich im Bereich der elektrischen Anschlüsse mit der Passivierungsschicht abzudecken, und insbe- sondere nur im Bereich der Durchführung der Anschlüsse unter der Sperrschicht hervor.Those led out of the layer structure of the component under the barrier layer and out of the first electrode layer trained electrical connections can consist of a corrosion-resistant metal. However, they are preferably covered with the electrically conductive passivation layer mentioned, in particular a titanium or molybdenum nitride layer. The passivation layer can completely cover the lower electrode layer and can be structured accordingly. It is also possible to cover the lower electrode layer only in the area of the electrical connections with the passivation layer, and in particular only in the area of the implementation of the connections under the barrier layer.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft die bereits genannten CIGS-Dünnschichtsolarmodule. Wie beispielsweise aus dem deutschen Patent DE 44 42 824 Cl bekannt, ist in der CIGS-Absorberschicht ein definierter Alkaligehalt für einen maximalen Wirkungsgrad der Solarzelle erforderlich. Da bei Verwendung eines Glassubstrats ein definierter Alkaligehalt der CIGS-Absorberschicht nur mit einer Alkalibarriereschicht direkt über dem Glassubstrat oder über der Rückelektrodenschicht erzielt werden kann, läßt sich für eine solche Barriereschicht in vorteilhafter Weise eine erfindungsgemäße als Passivierungsschicht ausgebildete Sperrschicht über der Grund- bzw. Rückelektrode einsetzen. Eine Barriereschicht aus Titan- oder Molybdännitrid kann gleichzeitig als Passivierungsschicht für die nach außen führenden elektrischen Anschlüsse beziehungsweise als Sperrschicht für die gesamte untere Elektrode dienen. Zu einer zusätzlichen Sperrschicht über der Solarzelle weist sie eine besonders gute Haftung auf und bildet damit eine besonders gute und dichte Grenzfläche zur Sperrschicht aus.Another advantageous embodiment of the invention relates to the CIGS thin-film solar modules already mentioned. As is known, for example, from German patent DE 44 42 824 Cl, a defined alkali content is required in the CIGS absorber layer for maximum efficiency of the solar cell. Since, when using a glass substrate, a defined alkali content of the CIGS absorber layer can only be achieved with an alkali barrier layer directly above the glass substrate or above the back electrode layer, a barrier layer according to the invention, which is designed as a passivation layer, can advantageously be placed over the base or back electrode deploy. A barrier layer made of titanium or molybdenum nitride can simultaneously serve as a passivation layer for the electrical connections leading to the outside or as a barrier layer for the entire lower electrode. It has particularly good adhesion to an additional barrier layer above the solar cell and thus forms a particularly good and tight interface to the barrier layer.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer klimastabilen Dünnschichtanordnung anhand von Aus- führungsbeispielen und der dazugehörigen acht Figuren näher erläutert . Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Testanordnung mit einer klimaempfindlichen Dünnschicht .The method according to the invention for producing a climate-stable thin-film arrangement is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and the associated eight figures. FIG. 1 shows a schematic cross section through a test arrangement with a climate-sensitive thin layer.
Figuren 2 bis 5 zeigen schematische Querschnitte durch klimastabile Schichtanordnungen.Figures 2 to 5 show schematic cross sections through climate-stable layer arrangements.
Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eineFIG. 6 shows a schematic cross section
Schichtanordnung mit Trennfugen vor der Aufbringungen der Sperrschicht.Layer arrangement with parting lines before the application of the barrier layer.
Figur 7 und 8 zeigen anhand schematischer Querschnitte durch eine serienverschaltete Dünnschicht-Solarzelle eine spezielle Anwendung der Erfindung.FIGS. 7 and 8 show a special application of the invention on the basis of schematic cross sections through a series-connected thin-film solar cell.
Figur 1 zeigt eine als Teststruktur dienende Dünnschichtanordnung mit einer bekannten Verkapselung. Auf einem Träger 1, bestehend aus einer 2 mm dicken Fensterglasscheibe (Kalknatronglas) wird mittels CVD-Verfahren eine 1,5 μm dicke bordotierte Zinkoxidschicht 2 so aufgebracht, daß der Träger 1 im gesamten umlaufenden Randbereich frei bleibt . An zwei einander gegenüberliegenden Seiten werden nun metallene Kontaktstreifen 3 so aufgelötet, daß sich die elektrische Flächenleitfähigkeit der Zinkoxidschicht 2 verläßlich bestimmen läßt. Darüber wird nun ein herkömmlicher Laminataufbau 5 erzeugt, beispielsweise durch Auflaminieren einer ca. 0,5 mm dicken EVA-Folie bei ca. 160°C. Der Laminataufbau weist mit dem Substrat seitlich der Dünnschichtanordnung einen Überlappungsbereich von 1 cm auf .FIG. 1 shows a thin-layer arrangement serving as a test structure with a known encapsulation. On a carrier 1, consisting of a 2 mm thick window glass (soda-lime glass), a 1.5 μm thick boron-doped zinc oxide layer 2 is applied by means of the CVD process in such a way that the carrier 1 remains free in the entire peripheral edge area. Metal contact strips 3 are now soldered on two opposite sides in such a way that the electrical surface conductivity of the zinc oxide layer 2 can be reliably determined. A conventional laminate structure 5 is now produced above this, for example by laminating an approximately 0.5 mm thick EVA film at approximately 160 ° C. The laminate structure has an overlap area of 1 cm with the substrate on the side of the thin-layer arrangement.
Dieser Testaufbau wird nun 1000 Stunden bei 85°C in einer Atmosphäre mit 85 Prozent Luftfeuchtigkeit exponiert. Dabei zeigt sich, daß der Schichtwiderstand der bordotierten Zinkoxidschichten nach dem Klimatest aus bislang unbekannten Gründen um zwei bis drei Größenordnungen ansteigt. Figur 2 zeigt nun einen ersten erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem wiederum eine auf einem Substrat 1 angeordnete bordotierte Zinkoxidschicht 2 mit darauf aufgebrachten Elektrodenstreifen 3 als TestStruktur verwendet wird. Erfindungsgemäß wird über dieser Anordnung nun eine Sperrschicht 4 aufgebracht. Zum Aufbringen dient im Ausführungsbeispiel ein Plas- ma-CVD-Verfahren, das bei niedrigen Prozeßtemperaturen von beispielsweise 200 bis 300°C durchführbar ist. Im Beispiel wird eine Sperrschicht 4 aus ca. 0,5 bis 2 μm und insbesonde- re 0,8 μm dicken Siliziumnitrid bei 200°C in einem Plasma- CVD-Verfahren abgeschieden. Die Abscheidung der Sperrschicht erfolgt so, daß die Dünnschicht 2 vollständig mit der Sperrschicht 4 abgedeckt ist. Mit einem ähnlichen Verfahren können auch die ebenfalls elektrisch isolierenden Al203 und SiOxNy Schichten als Sperrschichten eingesetzt werden. Darüber wird wie bereits bei Figur 1 beschrieben ein Laminataufbau 5 aufgebracht .This test setup is now exposed for 1000 hours at 85 ° C in an atmosphere with 85 percent humidity. It turns out that the sheet resistance of the boron-doped zinc oxide layers increases by two to three orders of magnitude after the climate test for reasons unknown until now. FIG. 2 now shows a first construction according to the invention, in which a boron-doped zinc oxide layer 2 arranged on a substrate 1 with electrode strips 3 applied thereon is again used as the test structure. According to the invention, a barrier layer 4 is now applied over this arrangement. In the exemplary embodiment, a plasma CVD method is used for application, which can be carried out at low process temperatures of, for example, 200 to 300 ° C. In the example, a barrier layer 4 of approximately 0.5 to 2 μm and in particular 0.8 μm thick silicon nitride is deposited at 200 ° C. in a plasma CVD process. The barrier layer is deposited in such a way that the thin layer 2 is completely covered with the barrier layer 4. With a similar process, the likewise electrically insulating Al 2 O 3 and SiO x N y layers can also be used as barrier layers. A laminate structure 5 is applied above this, as already described in FIG.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtanordnung übersteht den Kli- matest ohne nachweisbare Degradation, also ohne daß sich die anfängliche Flächenleitfähigkeit der Dünnschicht verringert. Da dieser Parameter wie dargelegt eine ausgezeichnete Sonde für den Nachweis einer Feuchtigkeitseinwirkung ist, zeigt dieses Meßergebnis die hohe Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Verkapselung.The thin layer arrangement according to the invention survives the climatic test without detectable degradation, that is to say without the initial surface conductivity of the thin layer being reduced. Since, as stated, this parameter is an excellent probe for the detection of exposure to moisture, this measurement result shows the high effectiveness of the encapsulation according to the invention.
Figur 3 zeigt im schematischen Querschnitt einen Schichtaufbau, bei dem eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht und insbesondere eine Dünnschicht 2 zwischen einer unteren Elektrode 3a und einer oberen Elektrode 3b auf einem Substrat 1 angeordnet ist. Um zusätzliche Topographiestufen zu vermeiden und eine möglichst planare Anordnung zu erzielen, sind elektrische Anschlüsse 6 vorgesehen, die direkt auf dem Substrat durch Strukturierung der unteren Elektrodenschicht 3a ausge- bildet sind. Während die untere Elektrode 3a über einen elektrischen Anschluß 6 kontaktiert wird, ist die obere Elektrode 3b mit dem elektrischen Anschluß 6' verbunden, der durch eine Strukturlinie elektrisch von der unteren Elektrode 3a isoliert ist. Über dieser Anordnung wird nun eine Sperrschicht 4 aufgebracht, die die obere Elektrode 3b und die Dünnschicht 2 vollständig abdeckt. Durch maskiertes Aufbringen oder durch nachträgliches Strukturieren der Sperrschicht sind die elektrischen Anschlüsse 6 und 6' freiliegend und nicht von der Sperrschicht 4 abgedeckt.FIG. 3 shows a schematic cross section of a layer structure in which a moisture-sensitive layer and in particular a thin layer 2 are arranged on a substrate 1 between a lower electrode 3a and an upper electrode 3b. In order to avoid additional topography steps and to achieve a planar arrangement as possible, electrical connections 6 are provided which are formed directly on the substrate by structuring the lower electrode layer 3a. While the lower electrode 3a is contacted via an electrical connection 6, the upper electrode 3b is connected to the electrical connection 6 ', which is connected by a Structure line is electrically isolated from the lower electrode 3a. A barrier layer 4 is now applied over this arrangement, which completely covers the upper electrode 3b and the thin layer 2. The masked application or subsequent structuring of the barrier layer exposes the electrical connections 6 and 6 'and does not cover the barrier layer 4.
Durch Aufbringen eines Laminataufbaus 5 entsprechend der Fi- guren 1 oder 2 kann die klimadichte Verkapselung des hier dargestellten Bauelements verstärkt werden. Im Ausführungs- beispiel bleiben dabei die elektrischen Anschlüsse 6 und 6' frei von Laminat. Das Dünnschicht-Bauelement kann beispielsweise eine Solarzelle sein.The climate-tight encapsulation of the component shown here can be reinforced by applying a laminate structure 5 according to FIGS. 1 or 2. In the exemplary embodiment, the electrical connections 6 and 6 'remain free of laminate. The thin-film component can be a solar cell, for example.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese sich unterscheidet von der Ausführungsform gemäß Figur 3 dadurch, daß die untere Elektrodenschicht 3a vor der Strukturierung vollständig mit einer metallisch leitenden Passi- vierungsschicht 7 abgedeckt wird. Der weitere Aufbau entspricht dem anhand von Figur 3 beschriebenen Ausführungsbei- spiel.Figure 4 shows a further embodiment of the invention. This differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the lower electrode layer 3a is completely covered with a metallically conductive passivation layer 7 before structuring. The further structure corresponds to the exemplary embodiment described with reference to FIG. 3.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die untere Elektroden- schicht, die beispielsweise aus einem korrosionsempfindlichen Metall bestehen kann, durch die elektrisch leitende Passivierungsschicht 7 ebenfalls gegen Feuchtigkeit und andere äußere korrosionsfördernde Einwirkungen geschützt ist.In this way it is achieved that the lower electrode layer, which can consist, for example, of a corrosion-sensitive metal, is also protected against moisture and other external corrosion-promoting effects by the electrically conductive passivation layer 7.
Diese Anordnung wird beispielsweise in einer CIGS-Solarzelle verwirklicht, die beispielsweise ein Glassubstrat 1, eine Molybdänrückelektrode 3a, eine Titan- oder Molybdännitridpassi- vierungsschicht 7, die Dünnschicht 2 mit der einen Halbleiterübergang aufweisenden CIGS-Absorberschicht, sowie eine obere Elektrode 3b, beispielsweise eine bordotierte Zinkoxidelektrode umfaßt . Die Sperrschicht 4 ist eine durch CVD- oder Plasma-CVD aufgebrachte Dünnschicht aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid.This arrangement is implemented, for example, in a CIGS solar cell which, for example, a glass substrate 1, a molybdenum back electrode 3a, a titanium or molybdenum nitride passivation layer 7, the thin layer 2 with the CIGS absorber layer having a semiconductor junction, and an upper electrode 3b, for example one Boron doped zinc oxide electrode. The barrier layer 4 is a by CVD or plasma CVD applied thin film made of aluminum oxide, silicon nitride or silicon oxynitride.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 unterscheidet sich von dem anhand von Figur 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß die untere Elektrodenschicht 3a nur im Bereich der elektrischen Anschlüsse 6 und 6' mit einer elektrisch leitenden Passivierungsschicht 7 und 7' abgedeckt ist. Dazu kann die Passivierungsschicht unmittelbar vor der Strukturierung der unteren Elektrodenschicht 3a entweder maskiert aufgebracht oder ganzflächig aufgebracht und anschließend strukturiert werden. Möglich ist es jedoch auch, die Passivierungsschicht 7 und 7' nach dem Aufbringen der Dünnschicht 2 bzw. nach dem Aufbringen der oberen Elektrodenschicht 3b zu erzeu- gen.The exemplary embodiment according to FIG. 5 differs from the exemplary embodiment described with reference to FIG. 4 in that the lower electrode layer 3a is covered with an electrically conductive passivation layer 7 and 7 'only in the area of the electrical connections 6 and 6'. For this purpose, the passivation layer can either be applied masked or applied over the entire surface immediately before the structuring of the lower electrode layer 3a and then structured. However, it is also possible to produce the passivation layer 7 and 7 'after the application of the thin layer 2 or after the application of the upper electrode layer 3b.
In allen Fällen wird die Passivierungsschicht mit einem Dünnschichtverfahren wie zum Beispiel reaktivem Sputtern oder mit einem plasmaunterstützten CVD-Verfahren abgeschieden oder aufgesputtert . Für eine Titannitridschicht sind beispielsweise 100 bis 150 nm Schichtdicke ausreichend.In all cases, the passivation layer is deposited or sputtered on using a thin-film process such as reactive sputtering or a plasma-assisted CVD process. For example, 100 to 150 nm layer thickness is sufficient for a titanium nitride layer.
Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine Möglichkeit, eine zwischen zwei Elektroden 3a und 3b angeord- nete Dünnschicht 2 mittels zweier bis auf eine klimastabile Schicht reichender Trennfugen 8 zu strukturieren, um durch anschließende Aufbringung einer Sperrschicht 4 (nicht dargestellt) in den Trennfugen 8 einen klimadichten Abschluß bzw. eine klimadichte Haftung der Sperrschicht auf der darunter- liegenden klimastabilen Schicht zu erreichen. Im Beispiel nach Figur 6 dient eine Passivierungsschicht 7 über der unteren Elektrode 3a als klimastabile Schicht. Möglich ist es jedoch auch, in den Trennfugen 8 das beispielsweise aus Glas bestehende Substrat 1 oder eine korrosionsstabile Elektroden- schicht 3a freizulegen. In diesen Fällen kann die ganzflächige Aufbringung der Passivierungsschicht 7 entfallen. Die Figuren 7 und 8 zeigen anhand schematischer Querschnitte durch ein Solarmodul mit integriert serienverschalteten Solarzellen i Dünnschichtbauweise eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Die Solarzelle ist beispielsweise auf einem Substrat 1 aufgebracht und umfaßt eine untere Elektrode 3a, einen Dünnschicht 2 mit dem Halbleiteraufbau und eine obere Elektrode 3b. Die Solarzellen sind beispielsweise streifen- förmig strukturiert, wobei durch Herunterführen einer strei- fenförmigen oberen Elektrode 3b auf den jeweils benachbarten Streifen der unteren Elektrode 3a eine Serienverschaltung mit der jeweils benachbarten streifenförmigen Solarzelle erzielt wird.FIG. 6 shows, on the basis of a schematic cross section, a possibility of structuring a thin layer 2 arranged between two electrodes 3a and 3b by means of two separating joints 8 extending to a climate-stable layer, in order to subsequently apply a barrier layer 4 (not shown) in the separating joints 8 to achieve a climate-tight seal or a climate-tight adhesion of the barrier layer on the underlying climate-stable layer. In the example according to FIG. 6, a passivation layer 7 above the lower electrode 3a serves as a climate-stable layer. However, it is also possible to expose the substrate 1, which is made of glass, for example, or a corrosion-resistant electrode layer 3a in the parting lines 8. In these cases, the entire application of the passivation layer 7 can be omitted. FIGS. 7 and 8 show a further embodiment of the invention on the basis of schematic cross sections through a solar module with integrated series-connected solar cells in thin-film construction. The solar cell is applied, for example, to a substrate 1 and comprises a lower electrode 3a, a thin layer 2 with the semiconductor structure and an upper electrode 3b. The solar cells are structured, for example, in the form of strips, with a series connection with the respectively adjacent strip-shaped solar cell being achieved by leading a strip-shaped upper electrode 3b down onto the respectively adjacent strips of the lower electrode 3a.
Zur Herstellung der in Figur 7 dargestellten Dünnschichtso- larzellenanordnung sind drei Strukturierungsschritte erforderlich. Der erste Strukturierungsschritt dient zur Strukturierung der unteren Elektrode 3a, der zweite zur Strukturierung der Halbleiterschichten (Dünnschicht) 2 und der dritte zur Auftrennung der oberen Elektrode 3b. Beim letztgenannten Strukturierungsschritt wird entweder die HalbleiterschichtThree structuring steps are required to produce the thin-film solar cell arrangement shown in FIG. The first structuring step serves for structuring the lower electrode 3a, the second for structuring the semiconductor layers (thin layer) 2 and the third for separating the upper electrode 3b. In the latter structuring step, either the semiconductor layer
(Dünnschicht 2) oder die untere Elektrodenschicht 3a freigelegt. In der Figur 7 sind bis zur die unteren Elektrode 3a reichende Strukturierungsgräben P3 dargestellt.(Thin layer 2) or the lower electrode layer 3a is exposed. FIG. 7 shows structuring trenches P3 reaching as far as the lower electrode 3a.
Figur 8 zeigt nun, wie die Strukturierungsgräben P3 durchFigure 8 now shows how the structuring trenches P3
Aufbringen einer kantenbedeckenden Sperrschicht 4 aufgefüllt und durch Zuwachsen eingeebnet werden. Die Sperrschicht 4 wird dabei auf einer Fläche aufgebracht, die den Schichtaufbau auf allen Seiten überragt und auch die elektrischen An- Schlüsse 6 und 6' überlappt. Über den elektrischen Anschlüsse 6 und 6' kann die Sperrschicht 4 dann teilweise wieder entfernt werden, um so einen äußeren elektrischen Anschluß zum Beispiel durch Anlöten von Metallstreifen 9 zu ermöglichen.Application of an edge-covering barrier layer 4 is filled and leveled by overgrowth. The barrier layer 4 is applied to a surface which projects beyond the layer structure on all sides and also overlaps the electrical connections 6 and 6 '. The barrier layer 4 can then be partially removed again via the electrical connections 6 and 6 ′ in order to enable an external electrical connection, for example by soldering on metal strips 9.
Sofern die Abscheidebedingungen für die Sperrschicht 4 bezüglich der Abscheidetemperatur so gewählt werden, daß Lötstellen unbeschädigt bleiben, kann in einer weiteren Ausführung der Erfindung die Sperrschicht auch nach dem Auflöten der Metallstreifen 9 so erfolgen, daß die Lötstelle mit von der Sperrschicht 4 abgedeckt wird. Auf diese Weise kann die Passivierungsschicht (7) für die untere Elektrode 3a entfallen. Mit der Erfindung gelingt die klima- und korrosionsstabile Einkapselung beliebiger Schichtaufbauten und insbesondere großflächiger Dünnschichtanordnungen, die klima- und korrosionsempfindliche Schichten aufweisen. Sie ist insbesondere zur klimadichten Verkapselung von Solarzellen geeignet, aber selbstverständlich nicht auf solche beschränkt. Die Erfindung ist insbesondere für solche Dünnschichtanordnungen geeignet, die heißen und/oder feuchten Umgebungen ausgesetzt sind. Selbstverständlich gilt dies auch für Schichtaufbauten, die üblicherweise nicht solchen korrosionsunterstützenden Umge- bungsbedingungen ausgesetzt sind. If the deposition conditions for the barrier layer 4 with respect to the deposition temperature are chosen so that solder joints remain undamaged, another embodiment can be used According to the invention, the barrier layer also takes place after the metal strips 9 have been soldered on so that the solder joint is also covered by the barrier layer 4. In this way, the passivation layer (7) for the lower electrode 3a can be omitted. With the invention, the climate and corrosion-stable encapsulation of any layer structures and in particular large-area thin-layer arrangements which have layers sensitive to climate and corrosion are achieved. It is particularly suitable for the climate-tight encapsulation of solar cells, but of course it is not restricted to such. The invention is particularly suitable for those thin-film arrangements which are exposed to hot and / or humid environments. Of course, this also applies to layer structures that are usually not exposed to such corrosion-supporting environmental conditions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schichtaufbau,1. layer structure,
- der optisch und/oder elektrisch aktiv ist und über einem Substrat (1) angeordnet ist,- which is optically and / or electrically active and is arranged above a substrate (1),
- mit zumindest einer korrosions- und/oder feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (2) und- With at least one corrosion and / or moisture sensitive layer (2) and
- mit zumindest einer Sperrschicht (4) , die über der korrosions- und/oder feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (2) ange- ordnet ist.- With at least one barrier layer (4) which is arranged over the corrosion and / or moisture sensitive layer (2).
- bei dem die Sperrschicht (4) eine Dünnschicht ist und ausgewählt ist aus A1203, Si3N4, TiN, MoN und SiOxNy.- In which the barrier layer (4) is a thin layer and is selected from A1 2 0 3 , Si 3 N 4 , TiN, MoN and SiO x N y .
2. Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei der über der Sperrschicht (4) ein Laminataufbau (5) mit zumindest einer Kunststoffschicht angeordnet ist.2. Layer structure according to claim 1, in which a laminate structure (5) with at least one plastic layer is arranged over the barrier layer (4).
3. Schichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2 , bei der die Sperrschicht (4) dicht und kantenbedeckend ausge- bildet ist.3. Layer structure according to claim 1 or 2, in which the barrier layer (4) is tight and edge-covering.
4. Schichtaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sperrschicht (4) seitlich des die korrosions- und/oder feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (2) enthaltenden Aufbaus mit dem Substrat (1) , mit einer Metallschicht oder einer Passivierungsschicht (7) abschließt.4. Layer structure according to one of claims 1 to 3, wherein the barrier layer (4) to the side of the corrosion and / or moisture-sensitive layer (2) containing the structure with the substrate (1), with a metal layer or a passivation layer (7) .
5. Schichtaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4,5. layer structure according to one of claims 1 to 4,
- der Teil eines elektischen oder optischen Bauelements ist, - bei dem optisch aktive und/oder mit elektrischen Potentialdifferenzen arbeitende Teile des Bauelements mit isolierenden Dampfsperr- oder Korrosionsschutz-Schichten bedeckt sind,is the part of an electrical or optical component, in which parts of the component which are optically active and / or work with electrical potential differences are covered with insulating vapor barrier or corrosion protection layers,
- bei dem Schichten ohne Potentialdifferenz mit leitfähigen Dampfsperr-oder Korrosionsschutz-Schichten bedeckt sind. - in which layers with no potential difference are covered with conductive vapor barrier or corrosion protection layers.
6. Schichtaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die untere Elektrodenschicht (3a) zumindest im Bereich der elektrischen Anschlüsse (6,6') mit einer elektrisch leitfähigen Sperr- oder Passivierungsschicht (7) abgedeckt ist.6. Layer structure according to one of claims 1 to 5, in which the lower electrode layer (3a) is covered at least in the region of the electrical connections (6, 6 ') with an electrically conductive barrier or passivation layer (7).
7. Schichtaufbau nach Anspruch 6, der als Solarzelle oder Solarmodul ausgebildet ist.7. Layer structure according to claim 6, which is designed as a solar cell or solar module.
8. Verfahren zur Herstellung eines klima- und korrosionsstabilen Schichtaufbaus,8. Process for the production of a climate and corrosion-stable layer structure,
- bei dem über einer, auf einem Substrat (1) angeordneten hitze- und/oder feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (2) eine Sperrschicht (4) kantenbedeckend abgeschieden wird, - bei dem die Sperrschicht ausgewählt wird aus MoN, TiN, Al203, Si3N4 und SiOxNy,- In which a barrier layer (4) is deposited covering the edges over a heat and / or moisture-sensitive layer (2) arranged on a substrate (1), - in which the barrier layer is selected from MoN, TiN, Al 2 0 3 , Si 3 N 4 and SiO x N y ,
- bei dem die Sperrschicht in einer Dicke von lOOnm bis 2μm abgeschieden wird.- in which the barrier layer is deposited in a thickness of 100 to 2 μm.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Sperrschicht (4) mit einem gegebenenfalls plasmagestützten CVD-Verfahren abgeschieden wird.9. The method according to claim 8, wherein the barrier layer (4) is deposited with an optionally plasma-assisted CVD method.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, - bei dem in der Dünnschicht (2) zunächst eine umlaufende in sich geschlossene Trennfuge (8) erzeugt wird, in der die Oberfläche einer klimastabilen Schicht des Dünnschicht- Aufbaus freigelegt ist10. The method according to any one of claims 8 or 9, - in which in the thin layer (2) first a circumferential self-contained parting line (8) is generated, in which the surface of a climate-stable layer of the thin-film structure is exposed
- bei dem Dünnschicht (2) oberflächlich und an allen Seiten- kanten mit der Sperrschicht (4) so abgedeckt wird, daß die .- With the thin layer (2) on the surface and on all side edges with the barrier layer (4) is covered so that the.
Sperrschicht in der Trennfuge mit der Oberfläche der klimastabilen Schicht abschließt.Barrier layer in the joint joins with the surface of the climate-stable layer.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem über der Sperrschicht (4) noch ein Laminataufbau (5) mit zumindest einer Kunststoffschicht aufgebracht wird. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, in which a laminate structure (5) with at least one plastic layer is applied over the barrier layer (4).
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zur klimastabilen Verkapselung von Solarzellen und Solarmodulen. 12. Use of the method according to one of claims 8 to 11 for the climate-stable encapsulation of solar cells and solar modules.
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