WO2015058844A1 - Verfahren zur herstellung von elektrischen kontakten mit kadmiumtellurid (cdte)-oberflächen für elektrische bauelemente - Google Patents

Verfahren zur herstellung von elektrischen kontakten mit kadmiumtellurid (cdte)-oberflächen für elektrische bauelemente Download PDF

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cdte
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doping
contact layer
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Ralf Wendt
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Second Solar Century Gmbh
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing electrical contacts with cadmium telluride (CdTe) surfaces for electrical components.
  • CdTe is a semiconductor material that is commercially available e.g. used in thin-film solar cells and infrared detectors.
  • CdTe is a material with a direct band gap and, due to its physical properties, it is particularly suitable for use in thin-film solar cells.
  • a CdTe layer is deposited on a carrier material.
  • the two surfaces of the CdTe layer are provided with two different electrical contacts. The preparation of one of these contacts is described for the production of the thin-film solar cell.
  • Thin-film solar cells are used commercially in thin-film solar modules. Thin-film solar cells are used in particular to generate electricity from sunlight.
  • This efficiency is approximately 12% - 13% for commercially available thin film solar modules with a CdTe layer.
  • the maximum measured efficiency for thin-film solar modules with a CdTe layer is currently around 16%.
  • the maximum measured efficiency for thin-film solar cells with a CdTe layer is approximately 19%.
  • the object of the invention is to provide a method for producing electrical contacts with at least one CdTe surface, which comprises the production of electrical components, in particular thin-film solar cells, with a
  • the doped layer does not act directly on the CdTe
  • the atoms of the doping layer are diffused through the contact layer into the CdTe layer.
  • the diffused atoms doped the CdTe layer.
  • a heat treatment of the layer stack takes place in two separate steps, wherein the layer stack consists of at least one substrate with a plurality of coatings.
  • the first step of the heat treatment acts only on the interface of the contact layer with the CdTe layer and the second step of the heat treatment on the doping layer, contact layer, interface of the contact layer with the CdTe-Schciht and CdTe layer.
  • any conductive material may be used, e.g. Metals or conductive oxides, which in particular allow diffusion of the atoms of the doping layer. Any material that does not reduce the efficiency of the thin-film solar cell and allows diffusion of the atoms of the doping layer can be used as the contact layer.
  • any material can be used which by the
  • Contact layer can diffuse and causes an electronic doping in the CdTe layer.
  • any material can be used that either diffuses significantly slower through the contact layer than the atoms of the doping layer or causes no relevant for the properties of the solar cell doping.
  • the heat treatments can take place as separate steps after the layer deposition or can be replaced by an increased temperature during the layer deposition.
  • the invention simplifies the manufacturing process for CdTe thin-film solar cells, improves the back contact with respect to the electrical properties such as
  • the electrical properties of the interface CdTe / contact layer and the diffusion of the Cu atoms into the CdTe layer can be optimized independently of each other, so that better solar cell efficiencies are achieved compared to the prior art method.
  • the process according to the invention makes it possible to dispense with the wet-chemical treatment of the surface (101) in the overall process. Instead of (101) is now the heat treatment (202) after the deposition of the conductive layer.
  • the new process is technically less expensive and produces better results.
  • the method according to the invention it is possible for the first time to also use copper as the conductive layer (204) for a contact. Due to the good electrical conductivity of copper, it is thus possible to make contact with thinner layers and thus lower material consumption and shorter process time.
  • the method according to the invention eliminates a parameter in the diffusion of copper. This method is not sensitive to the Cu layer thickness. In previously known methods, the layer thickness of the copper (Cu) is an essential
  • thinner CdTe layers can be used in the method according to the invention since no part of the layer is required for the back contact. This in turn leads to lower production costs.
  • the wet-chemical treatment (101) of the CdTe layer promotes the formation of electrical short circuits in the solar cell due to lateral inhomogeneity of the CdTe layer.
  • Thinner CdTe layers can be used in the new process because it does not generate electronic short circuits due to lateral inhomogeneities. Thinner CdTe layers can thus be used. This in turn leads to comparatively lower production costs.
  • Substrate in the context of the invention is a material with a thickness of 0.01 mm to 1000 mm, which is particularly transparent to sunlight.
  • a layer deposition in the context of the invention is a method in which a material from a liquid solution and / or from the gas phase, a material is applied to the surface of the substrate.
  • a TCO layer in the sense of the invention is a layer of a material that is electrically conductive and transparent to
  • a contact layer according to the invention is a layer which is deposited on the CdTe layer or on the surface of the CdTe layer by a chemical Treatment arises.
  • a doping layer in the sense of the invention is a layer which is deposited on the contact layer, whose atoms can diffuse through the contact layer during a heat treatment and an improvement of the solar cell properties, e.g. by doping the CdTe layer cause.
  • a conductive layer according to the invention is an electrically conductive layer which collects the electric current generated in the thin-film solar cell over the surface. He will be e.g. a metal layer or a TCO layer.
  • the substrate is in a heat treatment according to the invention.
  • the heat treatment may be carried out under vacuum, under an inert gas, e.g. Argon or nitrogen, or under air.
  • At least one TCO layer is deposited on a substrate.
  • Cadmium sulfide (CdS) is deposited on the TCO layer with a thickness between 10 nm and 500 nm.
  • FIG. 1 shows the flow chart for the production of the solar cell according to the prior art.
  • the CdTe surface of the layer stack is treated wet-chemically (101).
  • a doping layer is deposited (102).
  • a conductive layer is deposited (104).
  • the wet-chemical treatment (101) is carried out in the usual manner, e.g. by the action of a mixture of nitric acid and phosphoric acid.
  • a wet chemical treatment is carried out whose goal is to seal holes in the CdTe surface with an organic material. This treatment simultaneously effects the desired chemical modification of the CdTe surface.
  • the wet-chemical treatment (101) can be dispensed with, but only if the conductive layer consists of gold. Alternatively, the heat treatment (103) can also take place only after the deposition of the conductive layer (104).
  • the doping layer (102) is usually made of copper or antimony telluride.
  • the doping layer may dissolve in the heat treatment (103). All the atoms of the layer are then diffused into the contact layer and into the conductive layer.
  • the physical properties of the electrical contact are determined by the wet-chemical treatment (101) and by the doping of the CdTe with Cu at the interface.
  • the diffusion of the atoms of the doping layer must be precisely adjusted by the heat treatment, so that the maximum possible efficiency is achieved.
  • FIG. 2 shows the flow chart for the production of the solar cell according to the new method.
  • a contact layer is deposited (201) in the new method of making the electrical contact on the CdTe surface of the layer stack.
  • a doping layer is deposited on the contact layer (203).
  • a conductive layer is deposited on the doping layer (204).
  • the new procedure does not involve wet-chemical treatment (101). Dispensing with this process step is advantageous because it can create holes in the CdTe that cause a short circuit between the two contacts of the solar cell. These short circuits reduce the efficiency of the solar cell. Holes in the CdTe layer may be areas in the layer without material or areas with a material that is not CdTe, but e.g. Cd or Te is. It is essential that the area causes an electrical short between TCO and contact layer.
  • the invention shows for the first time that the heat treatment (202) of the interface of the contact layer with the CdTe layer has to be carried out at a higher temperature or for a longer time than the heat treatment for the diffusion of the doping layer.
  • a soda lime glass with a thickness of about 1 mm is used as the substrate.
  • Cadmium sulfide (CdS) is deposited on the TCO layer. For this is the
  • CdTe is deposited on the CdS layer at a thickness between 10 nm and 10,000 nm.
  • the substrate is heated in vacuo to a temperature of 300 ° C.
  • Argon (Ar) is admitted into the process chamber up to a process pressure of 6xl 0 "3 mbar and a 2000 nm thick CdTe layer by means of
  • Sputtering is deposited in the argon atmosphere of 5 ⁇ 10 -3 mbar using as cathode a target of 99.999% purity of CdTe.
  • Cadmium chloride (CdCl) is added, which sublimates at the temperature and thus acts on the CdTe layer.
  • CdCl Cadmium chloride
  • the electrical contact is subsequently produced.
  • a molybdenum layer is deposited as a contact layer by sputtering in argon atmosphere of 5xl 0 "3 mbar (201) and then heat treated at 240 ° C for 20 minutes (202).
  • a copper (Cu) layer is used as the doping layer
  • an aluminum (Al) - layer as a conductive layer means
  • the deposition of the contact layer (201) can also take place at elevated temperature.
  • the contact layer was deposited for 40 minutes at 240 ° C. It was educated as comparable result as in a deposition without heating and then
  • the deposition of the doping layer (203) can also be carried out at elevated temperature.
  • the doping layer was deposited for 20 minutes at 200 ° C. It became so comparable
  • the deposition of the conductive layer (204) can also be carried out at elevated temperature.
  • the contact layer was deposited for 20 minutes at 200 ° C. It was educated as comparable result as in a deposition without heating and then Heat treatment at 200 ° C and 20 min.
  • the contact layer was deposited for 40 minutes at 240 ° C. Subsequently, a dopant layer was deposited and heat-treated at 200 ° C for 20 minutes. A subsequently deposited conductive layer gave no improvement in the efficiency.
  • FIG. 3 shows the measured current-voltage characteristics of thin film solar cells with CdTe. The improvement for solar cells, which were manufactured with the new procedure can be recognized by the current-voltage characteristics. (301) is a typical example of a characteristic of a solar cell manufactured according to the new method.
  • the slightly worse characteristic (302) is a typical example of a solar cell produced according to the new method, but without a doping layer.
  • the even worse characteristic (303) is a typical example of a characteristic of a solar cell which was produced without doping layer and without heat treatment of the contact layer.
  • Figure 4 shows the improvement in efficiency for solar cells, with the new
  • FIG. 5 shows the measured characteristic curves during an optimization of process step (205). Without heat treatment, the characteristic (503) was measured. After a heat treatment for 10 minutes at 200 ° C, the characteristic (502) was measured.
  • FIG. 6 shows the measured efficiencies when optimizing process step (205). Without heat treatment, the efficiency (603) was measured. After a heat treatment for 10 minutes at 200 ° C, the efficiency (602) was measured. After another heat treatment for 10 minutes at 200 ° C, the efficiency (601) was measured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit Kadmiumtellurid (CdTe)-Oberflächen für elektrische Bauelemente, insbesondere Dünnschichtsolarzellen mit CdTe, wobei zumindest eine schrittweise Wärmebehandlung eines beschichteten Substrates erfolgt.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit Kadmiumtellurid (CdTe) - Oberflächen für elektrische Bauelemente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit Kadmiumtellurid (CdTe)- Oberflächen für elektrische Bauelemente.
CdTe ist ein Halbleitermaterial, das kommerziell z.B. bei Dünnschichtsolarzellen und Infrarotdetektoren verwendet wird.
CdTe ist ein Material mit direkter Bandlücke und aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen geeignet.
Für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen wird eine CdTe - Schicht auf einem Trägermaterial abgeschieden. Die beiden Oberflächen der CdTe - Schicht werden mit zwei unterschiedlichen elektrischen Kontakten versehen. Die Herstellung eines dieser Kontakte wird für die Herstellung der Dünnschichtsolarzelle beschrieben.
Dünnschichtsolarzellen werden kommerziell in Dünnschichtsolarmodulen verwendet. Dünnschichtsolarzellen werden insbesondere verwendet, um aus Sonnenlicht elektrischen Strom zu erzeugen.
Ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Dünnschichtsolarzellen ist die Höhe des Anteils der Energie des Sonnenlichtes, der in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Dieser Wirkungsgrad liegt für kommerziell erhältliche Dünnschichtsolarmodule mit einer CdTe - Schicht bei ca. 12% - 13%. Der maximale gemessene Wirkungsgrad für Dünnschichtsolarmodule mit einer CdTe- Schicht liegt bisher bei ca. 16%.
Der maximale gemessene Wirkungsgrad für Dünnschichtsolarzellen mit einer CdTe- Schicht liegt bei ca. 19%.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit zumindest einer CdTe -Oberfläche bereit zu stellen, welches die Herstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, mit einem
verbesserten Wirkungsgrad oder bei gleichem Wirkungsgrad ein vereinfachtes
Verfahren aufzuzeigen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung, ohne diese damit zu begrenzen.
Seit vielen Jahren wird in Forschungseinrichtungen und Firmen versucht, einen direkten ohmschen Kontakt mit CdTe - Oberflächen herzustellen. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht einen solchen Kontakt erstmals.
Erfindungswesentlich ist, dass die Dotiertschicht nicht direkt auf auf die CdTe
Oberfläche abgeschieden wird. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass mit einer Wärmebehandlung die Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht erwärmt wird, im nachfolgenden zweiten Schritt eine Dotierschicht abgeschieden wird und im nachfolgenden dritten Schritt eine Wärmebehandlung auf Dotierschicht, Kontaktschicht, Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht und CdTe-Schicht einwirkt.
Bei der letzten Wärmebehandlung erfolgt eine Diffusion der Atome der Dotierschicht durch die Kontaktschicht in die CdTe-Schicht. Die diffundierten Atome dotieren die CdTe-Schicht.
Bei dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Wärmehandlungen des Schichtstapels in zwei voneinander getrennten Schritten, wobei der Schichtstapel zumindest aus einem Substrat mit mehreren Beschichtungen besteht. Der erste Schritt der Wärmebehandlung wirkt nur auf Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht und der zweite Schritt der Wärmebehandlung auf Dotierschicht, Kontaktschicht, Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe- Schciht und CdTe- Schicht.
Als Kontaktschicht kann jedes leitfähige Material verwendet werden, wie z.B. Metalle oder leitfähige Oxyde, die insbesondere eine Diffusion der Atome der Dotierschicht zulassen. Als Kontaktschicht kann jedes Material verwendet werden, dass den Wirkungsgrad der Dünnschichtsolarzelle nicht reduziert und eine Diffusion der Atome der Dotierschicht zulässt.
Als Dotierschicht kann jedes Material verwendet werden welches durch die
Kontaktschicht diffundieren kann und eine elektronische Dotierung in der CdTe-Schicht verursacht.
Als Leitschicht kann jedes Material verwendet werden, dass entweder deutlich langsamer durch die Kontaktschicht diffundiert als die Atome der Dotierschicht oder keine für die Eigenschaften der Solarzelle relevante Dotierung verursacht.
Die Wärmebehandlungen können als separate Schritte nach der Schichtabscheidung erfolgen oder durch eine erhöhte Temperatur bei der Schichtabscheidung ersetzt werden.
Der hier beschriebene elektrische Kontakt wird aus historischen Gründen in der Literatur Rückkontakt genannt.
Die Erfindung vereinfacht den Herstellungsprozess für CdTe-Dünnschichtsolarzellen, verbessert den Rückkontakt bezüglich der elektrischen Eigenschaften wie
Bandverbiegung und Durchlässigkeit für Elektronen und führt so zu einem besseren Wirkungsgrad und geringeren Produktionskosten. Bei dem neuen Verfahren können die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche CdTe/Kontaktschicht und der Diffusion der Cu Atome in die CdTe Schicht unabhängig voneinander optimiert werden, so dass verglichen mit dem bieher bekannten Verfahren bessere Wirkungsgrade der Solarzellen erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die nasschemische Behandlung der Oberfläche (101) im Gesamtprozess verzichtet werden. Anstelle von (101) steht nun die Wärmebehandlung (202) nach der Abscheidung der Leitschicht.
Das neue Verfahren ist technisch weniger aufwendig und erzeugt bessere Ergebnisse.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, auch Kupfer als Leitschicht (204) für einen Kontakt zu verwenden. Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer ist es somit möglich, einen Kontakt mit dünneren Schichten und somit geringerer Materialverbrauch und kürzerer Prozesszeit herzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, einen Kontakt mit einem beliebigen Material im Sinne der Erfindung als Kontaktschicht herzustellen, welches eine Wärmebehandlung benötigt, die bei einer höheren Temperatur oder für eine längere Zeit erfolgt als die Wärmebehandlung für die Diffusion des Cu in das CdTe.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt ein Parameter bei der Diffusion des Kupfers. Dieses Verfahren ist nicht empfindlich gegen die Cu -Schichtdicke. Bei bisher bekannten Verfahren ist die Schichtdicke des Kupfers (Cu) ein wesentlicher
Optimierungsparameter. Die Prozessoptimierung bei dem neuen Verfahren ist somit einfacher und der Herstellungsprozess ist weniger empfindlich gegen
Prozessschwankungen. Bei bekannten Verfahren wird bei der nasschemische Behandlung (101) ein Teil der CdTe-Schicht umgewandelt. Es entsteht z.B. durch Herauslösung von Cd eine tellurreiche Schicht. Diese ist Teil des Rückkontaktes und steht nicht mehr für die eigentliche Funktion der CdTe-Schicht zur Verfügung, nämlich der Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen können dünnere CdTe-Schichten verwendet werden, da kein Teil der Schicht für den Rückkontakt benötigt wird. Dies wiederum führt zu geringeren Produktionskosten.
Bei bekannten Verfahren fördert die nasschemische Behandlung (101) der CdTe- Schicht die Bildung von elektrischen Kurzschlüssen in der der Solarzelle durch laterale Inhomogenität der CdTe-Schicht.
Bei dem neuen Verfahren können dünnere CdTe -Schichten verwendet werden, da es keine elektronischen Kurzschlüsse durch laterale Inhomogenitäten erzeugt. Es können somit dünnere CdTe -Schichten verwendet werden. Dies wiederum zu vergleichsweise geringeren Produktionskosten führt. Substrat im Sinne der Erfindung ist ein Material mit einer Dicke von 0,01 mm bis 1000 mm, dass insbesondere transparent für Sonnenlicht ist.
Eine Schicht abscheiden im Sinne der Erfindung ist ein Verfahren bei dem aus einer flüssigen Lösung und/oder aus der Gasphase ein Material auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird.
Diese Abscheidung aus der Gasphase kann unter Atmosphärendruck oder in Vakuum erfolgen. Im Vakuum kann die Zuführung des Materials über ein Gas, durch thermisches Verdampfen oder durch Zerstäubung erfolgen. Ein TCO-Schicht (TCO Transparent - Conductive - Oxid) im Sinne der Erfindung ist eine Schicht aus einem Material, dass elektrisch leitfähig und transparent für
Sonnenlicht ist.
Verwendet werden dafür z.B. aluminiumdotiertes Zinkoxid, flourdotiertes Zinnoxid Kadmium-Zinnoxyd oder Indium-Zinnoxid.
Eine Kontaktschicht im Sinne der Erfindung ist eine Schicht, die auf die CdTe-Schicht abgeschieden ist, oder auf der Oberfläche der CdTe - Schicht durch eine chemische Behandlung entsteht.
Eine Dotierschicht im Sinne der Erfindung ist eine Schicht, die auf die Kontaktschicht abgeschieden ist, dessen Atome bei einer Wärmebehandlung durch die Kontaktschicht diffundieren können und eine Verbesserung der Solarzelleneigenschaften, z.B. durch Dotierung der CdTe-Schicht bewirken.
Eine Leitschicht im Sinne der Erfindung ist eine elektrisch leitfähige Schicht, die den in der Dünnschichtsolarzelle erzeugten elektrischen Strom über die Fläche sammelt. Er werden z.B. eine Metallschicht oder ein TCO- Schicht.
Bei einer Wärmebehandlung im Sinne der Erfindung wird das Substrat in eine
Umgebung gebracht, in der es seine Temperatur auf einen Wert zwischen 100°C und 800°C erhöht und in diesem Zustand für eine Zeit von 10s bis 24h verbleibt. Die Wärmebehandlung kann im Vakuum, unter einem Innertgas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, oder unter Luft erfolgen.
Zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden auf einem Substrat eine Folge von Schichten abgeschieden und Wärmebehandlungen in unterschiedlichen Atmosphären durchgeführt.
Auf ein Substrat wird mindestens eine TCO-Schicht abgeschieden.
Auf die TCO-Schicht wird Kadmiumsulfid (CdS) abgeschieden mit einer Dicke zwischen 10 nm und 500 nm.
Anschließend folgt eine Wärmebehandlung für eine Minute bis eine Stunde bei 350° bis 450°C in einer Atmosphäre aus einem Innertgas und Chlor. Das Chlor kann als Gas zugegeben werden oder als Kadmiumchlorid (CdCl), welches bei der Temperatur sublimiert und so auf die CdTe - Schicht einwirkt. Anschließend wird der Rückkontakt auf die CdTe -Schicht aufgebracht. Die Vorteile des neuen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik werden im Folgenden erklärt und mit Abbildungen illustriert:
Figur 1 zeigt das Flussdiagramm zur Herstellung der Solarzelle nach dem Stand der Technik.
Wie in Figur 1 dargestellt, wird bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktes die CdTe-Oberfläche des Schichtstapels nasschemische behandelt (101).
Es wird eine Dotierschicht abgeschieden (102).
Es folgt eine Wärmebehandlung (103).
Es wird eine Leitschicht abgeschieden (104).
Die nasschemische Behandlung (101) erfolgt in üblicher Art und Weise z.B. durch das Einwirken einer Mischung von Salpetersäure und Phosphorsäure.
Auch ird alternativ eine nasschemische Behandlung durchgeführt dessen Ziel es ist, Löcher in der CdTe- Oberfläche mit einem organischen Material zu verschließen. Diese Behandlung bewirkt gleichzeitig die gewünschte chemische Modifikation der CdTe- Oberfläche.
Auf die nasschemische Behandlung (101) kann verzichtet werden, aber nur wenn die Leitschicht aus Gold besteht. Alternativ kann die Wärmebehandlung (103) auch erst nach der Abscheidung der Leitschicht (104) erfolgen.
Die Dotierschicht (102) besteht meist aus Kupfer oder Antimontellurid. Während der Wärmebehandlung (103) diffundieren die Atome der Dotierschicht durch die Kontaktschicht in die CdTe-Schicht, dotiert diese und ermöglicht die Bildung eines elektrischen Kontaktes mit der CdTe - Oberfläche. Die Dotierschicht kann sich bei der Wärmebehandlung (103) auflösen. Alle Atome der Schicht sind dann in die Kontaktschicht und in die Leitschicht diffundiert. Bei diesem bekannten Herstellungsverfahren werden die physikalischen Eigenschaften des elektrischen Kontaktes durch die nasschemische Behandlung ( 101) und durch die Dotierung des CdTe mit Cu an der Grenzfläche bestimmt.
Die Diffusion der Atome der Dotierschicht muss durch die Wärmebehandlung genau eingestellt werden, damit der maximal mögliche Wirkungsgrad erreicht wird.
Figur 2 zeigt das Flussdiagramm zur Herstellung der Solarzelle gemäß dem neuen Verfahren. Wie in Figur 2 dargestellt wird bei dem neuern Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktes auf die CdTe-Oberfläche des Schichtstapels eine Kontaktschicht abgeschieden (201 ).
Es folgt eine erste Wärmebehandlung (202).
Auf die Kontaktschicht wird eine Dotierschicht abgeschieden (203).
Auf die Dotierschicht wird eine Leitschicht abgeschieden (204).
Es folgt eine zweite Wärmebehandlung (205).
Bei dem neuen Verfahren erfolgt keine nasschemische Behandlung (101). Der Verzicht auf diesen Prozessschritt ist vorteilhaft, da er Löcher in der der CdTe erzeugen kann, die einen Kurzschluss zwischen den beiden Kontakten der Solarzelle verursachen. Diese Kurzschlüsse verringern den Wirkungsgrad der Solarzelle. Löcher in der CdTe - Schicht können Bereiche in der Schicht ohne Material sein oder Bereiche mit einem Material, dass nicht CdTe, sondern z.B. Cd oder Te ist. Wesentlich ist, dass der Bereich einen elektrischen Kurzschluss zwischen TCO und Kontaktschicht verursacht.
Bei dem neuen Verfahren können dünnere CdTe -Schichten im Vergleich zum genannten Stand der Technik verwendet werden, da kein Teil der Schicht durch die nasschemische Behandlung (101) entfernt oder umgewandelt wird.
Die Erfindung zeigt erstmals, dass die Wärmebehandlung (202) der Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe - Schicht bei höherer Temperatur oder für eine längere Zeit erfolgen muss als die Wärmebehandlung für die Diffusion der Dotierschicht.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne damit alle Aspekte der Erfindung abschließend dargestellt zu haben. Im Ausführungsbeispiel wird als Substrat ein Kalknatronglas mit einer Dicke von ca. 1 mm verwendet.
Auf das Substrat wird als TCO - Schicht eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht abgeschieden. Auf die TCO-Schicht wird Kadmiumtsulfid (CdS) abgeschieden. Hierfür wird das
Substrat im Vakuum auf eine Temperatur von 300°C aufgeheizt. Es wird Argon (Ar) bis zu einem Prozessdruck von 6 l0"3 mbar in die Prozesskammer eingelassen und eine 100 nm dicke CdS-Schicht mittels Kathodenzerstäubung in die Argon- Atmosphäre von 5xl0"3 mbar abgeschieden. Als Kathode wird ein Target aus CdS mit einer Reinheit von 99,999% verwendet.
Auf die CdS-Schicht wird CdTe mit einer Dicke zwischen 10 nm und 10.000 nm abgeschieden. Hierfür wird das Substrat im Vakuum auf eine Temperatur von 300°C aufgeheizt. Es wird Argon (Ar) bis zu einem Prozessdruck von 6xl 0"3 mbar in die Prozesskammer eingelassen und eine 2000 nm dicke CdTe-Schicht mittels
Kathodenzerstäubung in die Argon- Atmosphäre von 5xl 0"3 mbar abgeschieden. Als Kathode wird ein Target aus CdTe mit einer Reinheit von 99,999% verwendet.
Im Ausführungsbeispiel folgt anschließend eine Wärmebehandlung für eine Stunde bei 410°C in einer Atmosphäre aus einem Innertgas und Chlor. Das Chlor wird als
Kadmiumchlorid (CdCl) zugegeben, welches bei der Temperatur sublimiert und so auf die CdTe - Schicht einwirkt. Auf den so entstandenen Schichtstapel auf dem Substrat, wird nachfolgend der elektrische Kontakt hergestellt. Hierfür wird eine Molybdänschicht als Kontaktschicht mittels Kathodenzerstäubung in Argon- Atmosphäre von 5xl 0"3 mbar abgeschieden (201) und anschießend bei 240°C für 20 Minuten wärmebehandelt (202).
Auf die Mo-Schicht wird eine Kupfer (Cu) - Schicht als Dotierschicht mittels
Kathodenzerstäubung in Ar - Atmosphäre von 5x10" mbar abgeschieden (203).
Auf die Cu-Schicht wird eine Aluminium (AI) - Schicht als Leitschicht mittels
Kathodenzerstäubung in Ar - Atmosphäre von 5xl0"3 mbar abgeschieden (204). Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung (205) bei ca. 200°C für ca. 20 Minuten.
Alternativ zur Wärmebehandlung (202) kann auch die Abscheidung der Kontaktschicht (201) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 40 min lang bei 240°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender
Wärmebehandlung bei 240° und 40 min.
Alternativ zur Wärmebehandlung (205) kann auch die Abscheidung der Dotierschicht (203) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem weiten Ausführungsbeispiel wurde die Dotierschicht 20 min lang bei 200°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare
Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender
Wärmebehandlung bei 200° und 20 min.
Alternativ zur Wärmebehandlung (205) kann auch die Abscheidung der Leitschicht (204) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 20 min lang bei 200°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender Wärmebehandlung bei 200°C und 20 min.
Alternativ kann auf die Abscheidung der Leitschicht (204) verzichtet werden wenn die Dotierschicht oder die Kontaktschicht ausreichend elektrisch leitfähig ist. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 40 min lang bei 240°C abgeschieden. Darauf folgend wurde eine Doterischicht abgeschieden und einen Wärmebehandlung bei 200°C für 20 min durchgeführt. Eine danach abgeschiedene Leitschicht ergab keine Verbesserung im Wirkungsgrad. Figur 3 zeigt die gemessen Strom- Spannungs-Kennlinien von Dünnschichtsolarzellen mit CdTe. Die Verbesserung für Solarzellen, die mit dem neuen Verfahren hergestellt wurden erkennt man an den Strom-Spannungs-Kennlinien. (301) ist ein typisches Beispiel einer Kennlinie von einer Solarzelle, die nach dem neuen Verfahren herstellt wurde. Die etwas schlechtere Kennlinie (302) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die nach dem neuen Verfahren hergestellt wurde, aber ohne Dotierschicht. Die noch schlechtere Kennlinie (303) ist ein typisches Beispiel für eine Kennlinie einer Solarzelle die ohne Dotierschicht und ohne Wärmebehandlung der Kontaktschicht hergestellt wurde. Figur 4 zeigt die Verbesserung im Wirkungsgrad für Solarzellen, die mit dem neuen
Verfahren hergestellt wurden. (401) ist ein typisches Beispiel eines Wirkungsgrades von einer Solarzelle, die nach dem neuen Verfahren herstellt wurde. Der etwas schlechtere Wirkungsgrad (402) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die nach dem neuen Verfahren hergestellt wurde, aber ohne Dotierschicht. Der noch schlechtere
Wirkungsgrad (403) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die ohne Dotierschicht und ohne Wärmebehandlung der Kontaktschicht hergestellt wurde.
Figur 5 zeigt die gemessenen Kennlinien bei einer Optimierung von Prozessschritt (205). Ohne Wärmebehandlung wurde die Kennlinie (503) gemessen. Nach einer Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C wurde die Kennlinie (502) gemessen.
Nach einer weiteren Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C, wurde die Kennlinie (501 ) gemessen. Figur 6 zeigt die gemessenen Wirkungsgrade bei einer Optimierung von Prozessschritt (205). Ohne Wärmebehandlung wurde der Wirkungsgrad (603) gemessen. Nach einer Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C wurde der Wirkungsgrad (602) gemessen. Nach einer weiteren Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C, wurde der Wirkungsgrad (601) gemessen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten von elektrischen Bauelementen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen mit CdTe, wobei zumindest eine schrittweise Wärmebehandlung eines beschichteten Substrates erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Schritt (202) die Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe - Schicht erwärmt wird und im nachfolgenden zweiten Schritt (203) eine Dotierschicht auf die Kontaktschicht aufgebracht wird und im nachfolgenden dritten Schritt eine Wärmebehandlung (205) der Dotierschicht, der Kontaktschicht und der CdTe-Schicht erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Atome der Dotierschicht durch die Kontaktschicht in die CdTe -Schicht diffundieren und die
CdTe -Schicht dotieren.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen elektronischen und optischen Eigenschaften besteht.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die
Dotierschicht noch mindestens eine Leitschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die
Dotierschicht noch eine Leitschicht aufgebracht wird und die Kontaktschicht elektrisch isolierend ist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. einem Metall oder TCO, wie z.B.
Mo, ZnO, ZnO:AI, ITO, SnO, SnO:F, besteht.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierschicht vorzugsweise aus Cu oder Sb besteht.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmebehandlung (202) durch Abscheidung der Kontaktschicht bei erhöhter Temperatur erfolgt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung (205) durch Abscheidung der Leitschicht bei erhöhter
Temperatur erfolgt.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100186810A1 (en) * 2005-02-08 2010-07-29 Nicola Romeo Method for the formation of a non-rectifying back-contact a cdte/cds thin film solar cell
US20120012151A1 (en) * 2010-07-15 2012-01-19 Sreenivas Jayaraman Back contact for a photovoltaic module

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5909632A (en) * 1997-09-25 1999-06-01 Midwest Research Institute Use of separate ZnTe interface layers to form OHMIC contacts to p-CdTe films
US20100307568A1 (en) * 2009-06-04 2010-12-09 First Solar, Inc. Metal barrier-doped metal contact layer
US8187963B2 (en) * 2010-05-24 2012-05-29 EncoreSolar, Inc. Method of forming back contact to a cadmium telluride solar cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100186810A1 (en) * 2005-02-08 2010-07-29 Nicola Romeo Method for the formation of a non-rectifying back-contact a cdte/cds thin film solar cell
US20120012151A1 (en) * 2010-07-15 2012-01-19 Sreenivas Jayaraman Back contact for a photovoltaic module

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BATZNER D L ET AL: "Development of efficient and stable back contacts on CdTe/CdS solar cells", THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, vol. 387, no. 1-2, 29 May 2001 (2001-05-29), pages 151 - 154, XP004232935, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/S0040-6090(01)00792-1 *
BATZNER D L ET AL: "Stability aspects in CdTe/CdS solar cells", THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, vol. 451-452, 22 March 2004 (2004-03-22), pages 536 - 543, XP004495161, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/J.TSF.2003.10.141 *

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