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DE102004020879A1 - Process and device for reductive deposition of a powder layer of Cd- or Zn sulfide on Chalco-pyrities solar cells by a roll-to-roll process with shortened time in the deposition bath - Google Patents

Process and device for reductive deposition of a powder layer of Cd- or Zn sulfide on Chalco-pyrities solar cells by a roll-to-roll process with shortened time in the deposition bath Download PDF

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DE102004020879A1
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cis
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German (de)
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Klaus Dr. Kalberlah
Zabi Mollah Ali-Abassi
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PVFLEX SOLAR GMBH, 15517 FUERSTENWALDE, DE
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Abstract

Process and device for reductive deposition of a powder layer of Cd- or Zn sulfide on Chalco-pyrities (sic) solar cells, with wet spraying chemical treatment to produce the power layer using at least two stable aqueous solvent mixtures, one of which contains a reduction agent and a S-containing component, while the other mixture a Cd or Zn salt, and a substance dependent on the pH value.

Description

Unter den bekannten Technologien zur Herstellung von Dünnschicht Solarzellen nimmt die sogenannte CIS-Zelle (Kupfer-Indium/Gallium-Selen/Schwefel) insofern eine besondere Stellung ein, als derartige Zellen potentiell degradationsfrei, mit hohem Wirkungsgrad, mit günstigen Kosten und umweltfreundlich hergestellt werden können. Es sind sowohl Prozesse zur Aufbringung der sogenannten Precursor-Schichten (Kupfer, Indium/Gallium, Selen/Schwefel) im Hochvakuum durch Sputtern oder Aufdampfen wie auch Non-Vakuum-Verfahren bekannt geworden, z.B. die elektrochemische Deposition der genannten Elemente oder deren Legierungen (Kupferselenid, Indiumselenid, Galliumselenid) oder des Verbindungshalbleiters (Kupferindiumselenid = ternäre Abscheidung, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid = quaternäre Abscheidung). Im Labormaßstab produziert wurden auch CIS-Zellen, deren Precursor-Schicht durch mechanischen Auftrag einer Dispersion von Nanopartikeln der genannten Substanzen auf das sogenannte Substrat (Trägermaterial plus Anpass-, Sperr- und Kontaktschicht) hergestellt wird.Under takes the known technologies for the production of thin-film solar cells the so-called CIS cell (copper indium / gallium selenium / sulfur) a special position insofar as such cells are potentially low-degradation, high efficiency, low cost and environmentally friendly can be produced. There are both processes for applying the so-called precursor layers (Copper, indium / gallium, selenium / sulfur) in a high vacuum by sputtering or vapor deposition as well as non-vacuum method has become known e.g. the electrochemical deposition of said elements or their alloys (copper selenide, indium selenide, gallium selenide) or the compound semiconductor (copper indium selenide = ternary deposition, Copper indium gallium selenide = quaternary deposition). Produced on a laboratory scale were also CIS cells whose precursor layer by mechanical Application of a dispersion of nanoparticles of said substances on the so-called substrate (substrate plus Fitting, barrier and contact layer) is produced.

In der Regel durchläuft der Precursor nachfolgend einen Temperschritt, wobei sich die einzelnen Elemente oder Legierungen zum eigentlichen, mikrokristallinen Absorber verbinden. Bei praktisch allen bekannt gewordenen Verfahren wird, auf den Temperschritt folgend, eine sogenannte „Pufferschicht" (buffer layer) aufgebracht, bevor die CIS-Solarzelle durch die Abscheidung von hochtransparenten, elektrisch leitenden Fensterschichten (TCO) vervollständigt wird.In usually goes through the precursor subsequently an annealing step, wherein the individual Elements or alloys to the actual, microcrystalline absorber connect. In practically all known methods, following the tempering step, a so-called "buffer layer" is applied, before the CIS solar cell is removed by the deposition of highly transparent, electrically conductive window layers (TCO) is completed.

Für die Herstellung der genannten Pufferschicht hat sich weltweit (soweit überhaupt schon Solarmodule der CIS-Technologie am Markt erhältlich sind) ein Verfahren etabliert, das als CdS-CBD bezeichnet wird. Es handelt sich hierbei um die Abscheidung von Cadmiumsulfid aus einem chemischen Bad (CBD = chemical bath deposition), auch als „Tauchdotierung" bezeichnet, da es sich bei dem Auftrag von Cadmiumsulfid weniger um eine extrem dünne Schicht handelt (ca. 40 nm „Dicke"), als vielmehr um eine Einlagerung von Cd-Atomen in das CIS-Gitter, im Zusammenhang mit der Bildung eines für die Funktion der photoelektrischen Solarzelle unerlässlichen p/n-Übergangs. Die genauen Vorgänge wurden von der Grundlagen-Wissenschaft bisher nur teilweise erforscht, weil unter bestimmten Voraussetzungen funktionsfähige CIS-Zellen (meist allerdings mit einem schlechteren Wirkungsgrad) auch ganz ohne die genannte CdS-Pufferschicht hergestellt werden konnten.For the production The mentioned buffer layer has become worldwide (if at all solar modules of CIS technology are already available on the market) established a method called CdS-CBD. It deals this is the deposition of cadmium sulfide from a chemical Bath (CBD = chemical bath deposition), also known as "immersion doping", as it The application of cadmium sulfide is less an extremely thin layer acts (about 40 nm "thickness"), rather than an incorporation of Cd atoms in the CIS lattice, in context with the formation of a for the function of the photoelectric solar cell essential p / n junction. The exact procedures were previously only partially explored by basic science, because under certain conditions, functional CIS cells (usually with a worse Efficiency) can be produced without the said CdS buffer layer could.

Der „klassische" CdS-CBD-Prozess besteht darin, dass ein Cadmium-Salz (CdJ2 oder CdSO4) und Thioharnstoff bei Zimmertemperatur in eine wässrige, ammoniakalische Lösung eingebracht werden. Zugleich werden CIS-Zellen bzw. CIS-Module mit fertiger Absorberschicht vollständig in das Bad eingetaucht; das Bad incl. Lösungsgemisch und CIS-Zellen/-module werden gemeinsam innerhalb von ca. 6 min. auf 60°C erhitzt, nach weiteren ca. 4 min. werden die CIS-Proben aus der Lösung entfernt. Die verbleibende Badflüssigkeit muss entsorgt, die Behälter sorgfältig von dem allenthalben abgeschiedenen/anhaftenden CdS gereinigt werden.The "classic" CdS-CBD process is that a cadmium salt (CdJ2 or CdSO4) and thiourea at room temperature in an aqueous, ammoniacal solution be introduced. At the same time CIS cells or CIS modules with finished absorber layer completely immersed in the bath; the bath including solution mixture and CIS cells / modules be together within about 6 min. heated to 60 ° C, after another approx. 4 min. The CIS samples are removed from the solution. The remaining one bath liquid must be disposed of, the containers careful be cleaned of the everywhere deposited / adherent CdS.

Obwohl die auf diese Weise hergestellten CIS-Zellen die höchsten Wirkungsgrade aufweisen, hat das beschriebene CdS-CBD-Verfahren offensichtlich zwei ganz entscheidende Nachteile:
Zum ersten ist der Prozess nicht gerade umweltfreundlich, weniger wegen der Spuren von Cadmium, das schussendlich als Legierung bzw. Verbindung in den Modulen enthalten ist, als vielmehr wegen der bei der Herstellung der CIS-Schichten anfallenden, erheblichen Mengen von Abwasser, die mit der Schwermetallverbindung belastet sind.
Although the CIS cells produced in this way have the highest efficiencies, the described CdS-CBD process obviously has two very significant disadvantages:
Firstly, the process is not environmentally friendly, not so much because of the traces of cadmium that is ultimately present as an alloy or compound in the modules, but rather because of the considerable volumes of wastewater produced by the CIS coatings Heavy metal compound are loaded.

Der zweite Nachteil sind die gravierenden fertigungstechnischen Erschwernisse, die dadurch entstehen, dass nicht nur die Verweildauer der Zellen bzw. Module in dem Abscheide-Bad mit 10-15 min relativ lang ist, sondern indem ausreichende Mengen von Badflüssigkeit immer wieder neu angesetzt und nach Gebrauch verworfen werden müssen, incl. der Gefäss-Reinigung. Ein kontinuierlicher Fertigungsfluss ist nicht möglich, lediglich ein „batch-Prozess", wobei die Chargengrösse bestimmt wird durch die Badgrösse und die (möglichst hohe) Stapeldichte der Proben im Bad.- Weitere Erschwernisse wie die unerwünschte Abscheidung von CdS auf der Zellen-Rückseite und der unerwünschte Einbau von Ausflockungen/Badverunreinigungen in der Pufferschicht mögen am Rande erwähnt sein.Of the second disadvantage are the serious production engineering difficulties, caused by the fact that not only the residence time of the cells or Module in the deposition bath with 10-15 min is relatively long, but by sufficient amounts of bath liquid again and again set and must be discarded after use, including the vessel cleaning. A continuous production flow is not possible, just a "batch process", whereby the batch size determines becomes by the bath size and the (possible high) stack density of the samples in the bath.- Further complications like the unwanted Deposition of CdS on the cell back and unwanted incorporation flocculation / bad contaminants in the buffer layer may seem marginal mentioned be.

Es hat nun, insbesondere bei den mit der CIS-Zellen-Entwicklung befassten Universitätsinstituten, in den vergangenen Jahren an Bemühungen nicht gefehlt, Ersatz-Prozesse zu entwickeln, die sowohl die Umweltverträglichkeit verbessern als auch die Fertigungsprobleme verringern sollten. Allerdings ist man in der Regel von einer CIS-Fertigung auf Glas ausgegangen, d.h. ein kontinuierlicher roll-to-roll-Herstellungs prozess, wie er bei der Abscheidung von CIS auf Metall- oder Kunststoff-Folie angestrebt wird, wurde nicht unterstellt.It has now, especially those involved in CIS cell development University institutes, in the past years at efforts not missing, replacement processes that improve both environmental and environmental performance Should reduce manufacturing issues. However, one is in the Rule of a CIS production on glass, i. a continuous roll-to-roll manufacturing process, as he sought in the deposition of CIS on metal or plastic film is not assumed.

Die vermutlich bekannteste Alternative zum „klassischen CdS-CBD" ist das ILGAR-Verfahren des Hahn-Meitner-Instituts Berlin. Hierbei wird durch einen Tauchprozess (wechselweise in verschiedene, jedoch stabile Bad-Flüssigkeiten) eine CdS- bzw. ZnS-Schicht von wenigen Atomlagen Dicke gebildet, sodaß für 40 nm Gesamtschichtdicke etwa 40 Wechsel-Tauchvorgänge erforderlich sind. ILGAR erzielt mit ZnS gute Zellen-Wirkungsgrade und eine Lösung des Problems „Umwelt Verträglichkeit", jedoch ist der Prozess alles andere als geeignet für eine rasche, einfache und kontinuierliche Zellenherstellung „am laufenden Band".Probably the best-known alternative to the "classic CdS-CBD" is the ILGAR method of the Hahn-Meitner-Institut Berlin, where a dipping process (alternately into different but stable bath fluids) results in a CdS or ZnS layer of only a few Atomic layers thickness formed, so that for 40 nm total layer thickness about 40 Wech sel-dipping operations are required. ILGAR achieves good cell efficiencies and a solution to the problem of "environmental compatibility" with ZnS, but the process is anything but suitable for rapid, easy and continuous "on-the-fly" cell production.

Die vorliegende Erfindung behebt nun zugleich beide Mängel: auf die Verwendung einer umweltbelastenden Cadmium-Verbindung kann verzichtet werden, zudem fallen beim Herstellungsprozess weit geringere Flüssigkeitsmengen an. Vor allem aber ist ein kontinuierlicher Durchlauf der Modul- bzw. CIS-Zellenproduktion durch den Fertigungsschritt „Pufferschicht" sogar für eine roll-to-roll-Bandzellenfertigung (unter Atmosphärendruck-Bedingungen) erstmals gewährleistet.The The present invention now overcomes both deficiencies: the use of an environmentally harmful cadmium compound can be omitted In addition, fall in the manufacturing process far smaller amounts of liquid at. Above all, a continuous run of the module or CIS cell production through the "buffer layer" manufacturing step even for roll-to-roll ribbon cell production (under atmospheric pressure conditions) guaranteed for the first time.

Die Erfindungsidee wurde entwickelt in Analogie zur Bekeimung von Kunststoff-Teilen mit Silber für die nachfolgende elektrochemische Silberbeschichtung. Hierbei wird einerseits ein wassergelöstes Silbersalz, andererseits ein Reduktionsmittel plus Ammoniak in wässriger Lösung versprüht. Es entsteht auf dem Kunststoff eine ca. 0,05 μm dicke Silberschicht.The Invention idea was developed in analogy to the seeding of plastic parts with silver for the subsequent electrochemical silver coating. This is on the one hand a water-dissolved one Silver salt, on the other hand, a reducing agent plus ammonia in aqueous solution sprayed. The result is a roughly 0.05 μm thick silver layer on the plastic.

Für die Umwelt- und produktionsfreundliche nasschemische Abscheidung von ZnS als Pufferschicht wird nun, hieraus abgeleitet, vorgeschlagen, zunächst 2 Systeme mit stabilen Lösungen zu verwenden. Die reaktive Mischung, aus welcher CdS oder (im Fall der Umweltfreundlichkeit) ZnS ausgeschieden wird, entsteht erst dadurch, dass sich beide Flüssigkeiten in fein versprühter Form auf der Pobe vermischen.For the environment- and production-friendly wet chemical deposition of ZnS as Buffer layer is now, derived therefrom proposed, initially 2 systems with stable solutions to use. The reactive mixture, from which CdS or (in the case the environmental friendliness) ZnS is excreted, only arises in that both liquids in finely sprayed Mix the shape on the pobe.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht somit aus mindestens 2 Behältern (4.1 und 4.2), jeweils mit Pumpe (3.1 und 3.2) und Sprühdüse (2.1 und 2.2), wobei in einem Behälter eine schwefelspendende Substanz (wie nachstehend genannt) und ein Reduktionsmittel (Beispiele ebenfalls nachstehend), im anderen Behälter ein Zink- oder Cadmiumsalz (Beispiele nachstehend) sowie ein pH-Wert-bestimmendes Mittel, beispielsweise Ammoniak, jeweils in wässriger Lösung, enthalten ist. Die Lösungen werden durch Beheizung auf einer Temperatur von 25 bis 45°C gehalten, je nach gewünschter Reaktionsgeschwindigkeit.The inventive device thus consists of at least 2 containers ( 4.1 and 4.2 ), each with pump ( 3.1 and 3.2 ) and spray nozzle ( 2.1 and 2.2 ), wherein in one container a sulfur-donating substance (as mentioned below) and a reducing agent (examples also below), in the other container a zinc or cadmium salt (examples below) and a pH-determining agent, for example ammonia, each in aqueous Solution, is included. The solutions are maintained by heating at a temperature of 25 to 45 ° C, depending on the desired reaction rate.

Die Sprühdüsen (2.1 und 2.2) der beiden Systeme sind so eingestellt, dass sich die Sprühkegel auf dem vorbeilaufenden CIS-Zellen-band (1) voll überdecken, sodass erst an dieser Stelle eine Vermischung der Flüssigkeiten in genau der Menge, wie sie für die Pufferschicht Abscheidung auf der CIS-Solarzelle benötigt wird, stattfindet. Das stöchometrische Gleichgewicht der Reaktionspartner wird dabei einerseits durch die Konzentration der Lösungen, andererseits über die von den Pumpen bestimmte Durchflussmenge eingeregelt.The spray nozzles ( 2.1 and 2.2 ) of the two systems are adjusted so that the spray cones on the passing CIS cell band ( 1 ), so that only at this point a mixing of the liquids in exactly the amount required for the buffer layer deposition on the CIS solar cell takes place. The stoichiometric equilibrium of the reactants is adjusted on the one hand by the concentration of the solutions, and on the other hand by the flow rate determined by the pumps.

Als schwefelspendende Substanzen kommen vorzugsweise infrage:

  • • 2-Mercaptobenzothiazol
  • • 3-Mercaptobenzimidazol
  • • 3-Mercapto-1,2-propandiol
  • • Thioacetamid
  • • Polysulfide
  • • Thiophen-derivate
  • • Di-iso-butylsulfid
  • • Di-tetra-butylsulfid
  • • Dichlorobenzolthiol
  • • Diäthyldithiocarbamat
  • • Thiocyanat
  • • Thioglykolsäure
  • • Thiocarbamid
As sulfur-donating substances are preferably in question:
  • • 2-mercaptobenzothiazole
  • • 3-mercaptobenzimidazole
  • • 3-mercapto-1,2-propanediol
  • • thioacetamide
  • • polysulfides
  • • thiophene derivatives
  • • Diisobutyl sulfide
  • • Di-tetra-butyl sulfide
  • • dichlorobenzenethiol
  • Diethyl dithiocarbamate
  • • thiocyanate
  • • thioglycolic acid
  • • thiocarbamide

Als Zink oder Cadmium enthaltende Salze eigen sich vorzugsweise

  • • Zink-Acetat
  • • Zink-Acetylacetonat
  • • Zink-Carbamat (basisch)
  • • Zink-p-Toluolsulfonat
As zinc or cadmium-containing salts are preferably own
  • • zinc acetate
  • • zinc acetylacetonate
  • Zinc carbamate (basic)
  • Zinc p-toluenesulfonate

Sowie die entsprechenden Salze des Cadmiums.Such as the corresponding salts of cadmium.

Als Reduktionsmittel mit gleichzeitiger Katalysator-Funktion eignen sich

  • • Hydrazin-
  • • Boran-
  • • Borhydrid-
  • • Alkoholat- oder
  • • Phosphit- Verbindungen
Suitable reducing agents with simultaneous catalyst function are suitable
  • • hydrazine
  • • Boran
  • • borohydride
  • • Alcoholate or
  • • phosphite compounds

Um die Oberflächenspannung herabzusetzen, finden ansich bekannte, nicht-iogene Netzmittel Verwendung.Around the surface tension to reduce the use of known, non-iogenic wetting agents use.

pH-Wert bestimmende Zusätze sind bekanntermaßen Ammoniak, Kalilauge, Amine sowie organische oder anorganische Säuren.PH value determining additives are known Ammonia, potash, amines and organic or inorganic acids.

Ausführungs-Beispiel:Execution example:

Eine hellgelb-hochtransparente CdS-Pufferschicht von 0,04-0,05 μm Dicke wurde mit weniger als 1 min. Sprühdauer und mit wenigen Minuten Nachreaktionszeit erzeugt, indem auf den getemperten CIS-Absorber aus 2 getrennten Systemen (entsprechend Abbildung) über bewegte Spezialdüsen aufgenebelt wurde:
Lösungsgemisch 1, Temperatur ca. 40°C:
Schwefelhaltige Komponente: 1,5 mol/l
Reduktionsmittel: 0,8-8 mol/l
Netzmittel: 0,001-0,01 Vol %
Lösungsmittelgemisch 2, Temperatur ca. 40°C:
Cd-haltige Komponente: 1-5 mol/l
PH-Wert-bestimmende Substanz: je nach Bedarf
A light yellow highly transparent CdS buffer layer of 0.04-0.05 μm thickness was prepared in less than 1 min. Spraying time and in a few minutes post-reaction time generated by misting on the tempered CIS absorber from 2 separate systems (as shown) via moving special nozzles:
Solution mixture 1, temperature about 40 ° C:
Sulfur-containing component: 1.5 mol / l
Reducing agent: 0.8-8 mol / l
Wetting agent: 0,001-0,01 Vol%
Solvent mixture 2, temperature about 40 ° C:
Cd-containing component: 1-5 mol / l
PH-determining substance: as needed

Die Nachbehandlung der Proben erfolgte wie üblich durch Spülen mit entionisiertem Wasser und Heißluft-Trocknung.The After treatment of the samples was carried out as usual by rinsing with deionized water and hot air drying.

Die Folgeschichten zur Komplettierung der CIS-Solarzelle, hochtransparente und elektrisch gut leitfähige, sogenannte „Fensterschichten", werden nachfolgend in üblicher Weise auf die Zelle aufgebracht. Sodann kann ein Leiterbahnen-Gitter ("grid") aufgedampft, aufgesprüht oder aufgedruckt werden und die hiermit komplette CIS-Zelle mittels einer Lackschicht abgedeckt und komplettiert werden.The Follow-up stories to complete the CIS solar cell, highly transparent and electrically highly conductive, so-called "window layers", are below in usual Applied to the cell. Then, a strip conductor grid ("grid") vapor-deposited, sprayed or be printed and the hereby complete CIS-cell by means of a varnish layer be covered and completed.

Die vorstehende Methode zur Herstellung der Pufferschicht ermöglicht es erstmals, den gesamten Prozess an einem durchlaufenden Band auszuführen, d.h. ein roll-to-roll-Verfahren anstelle eines batch-Verfahrens zu realisieren.The The above method for producing the buffer layer makes it possible for the first time, to perform the entire process on a continuous tape, i. a roll-to-roll process to realize instead of a batch process.

11
CIS-Zellen (Band), bewegtCIS cells (Band), moved
2.12.1
Sprühdüse, System 1Spray nozzle, system 1
3.13.1
Pumpe, System 1Pump, System 1
4.14.1
Flüssigkeitsbehälter, System 1Liquid container, system 1
2.22.2
Sprühdüse, System 2Spray nozzle, system 2
3.23.2
Pumpe, System 2Pump, System 2
4.24.2
Flüssigkeitsbehälter, System 2Liquid container, system 2

Claims (4)

Verfahren und Einrichtung zur reduktiven Abscheidung einer Pufferschicht aus Cadmium- oder Zinksulfid bei Chalkopyrit-Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die nasschemische Behandlung und Erzeugung einer Pufferschicht durch ein Sprühverfahren erfolgt, wobei mindestens zwei stabile wässrige Lösungsgemische Verwendung finden, eines davon enthaltend das Reduktionsmittel und die schwefelhaltige Komponente, das andere ein Cadmium- oder Zinksalz sowie eine pH-Wert bestimmende Substanz.Method and device for the reductive deposition of a buffer layer of cadmium or zinc sulfide in chalcopyrite solar cells, characterized in that the wet-chemical treatment and production of a buffer layer by a spray process, wherein at least two stable aqueous solution mixtures are used, one of which containing the reducing agent and sulfur-containing component, the other a cadmium or zinc salt and a pH-determining substance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder beide wässrige Gemische erwärmt werden, bevor oder während sie den Spühdüsen zugeführt werden.A method according to claim 1, characterized in that a or both aqueous Mixtures warmed up be, before or during they are fed to the spray nozzles. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem wässrigen Gemisch des Reduktionsmittels und einer schwefelhaltigen Komponente ein Netzmittel zugefügt wird.Method according to claim 1, characterized in that the aqueous Mixture of the reducing agent and a sulfur-containing component Wetting agent added becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat, auf welches die CIS-Absorberschicht abgeschieden ist, vor oder während der Sprühbehandlung erwärmt wird.A method according to claim 1, characterized in that the Substrate on which the CIS absorber layer is deposited, before or during the spray treatment heated becomes.
DE102004020879A 2004-04-26 2004-04-26 Process and device for reductive deposition of a powder layer of Cd- or Zn sulfide on Chalco-pyrities solar cells by a roll-to-roll process with shortened time in the deposition bath Withdrawn DE102004020879A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008093115A1 (en) * 2007-02-02 2008-08-07 G24 Innovations Limited Coating substrates

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