DE102009022378B4 - Verfahren zur Herstellung von teiltransparenten flexiblen Dünnschichtsolarzellen und teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzelle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen, wobei flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet werden, dass sie einschließlich Trägerfolie in einem Muster von Öffnungen derart durchstoßen werden, dass im Bereich der Öffnungen die Dünnschichtsolarzellen einschließlich Trägerfolie entfernt werden, wobei das Muster sowohl die mechanische Stabilität der flexiblen Dünnschichtsolarzelle als auch den Wirkungsgrad der Energiewandlung als auch die angestrebte optische Transparenz gewährleistet, so dass bei den erhaltenen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen die das Muster bildenden Öffnungen jeweils zwischen benachbarten Fingern eines Kontaktgrids angeordnet sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung teiltransparenter flexibler Dünnschichtsolarzellen sowie entsprechende teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzellen, die sowohl in der Architektur als auch in der Autoindustrie angewendet werden können.
- Es ist bereits bekannt, teiltransparente Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Zu diesem Zweck werden Dünnschichtsolarzellen auf einem festen Träger, meistens Glas, verschaltet und mit Laserstrahlen geritzt. Es entsteht eine Öffnung, durch welche Licht durchtreten kann und damit die Transparenz erzeugt. Dies funktioniert naturgemäß nur bei transparenten Trägern, insbesondere bei Glas als Träger. Zusätzlich ist die Verwendung einer teuren Produktionstechnologie, wie z. B. Lasertechnologie, zur Erzeugung der Kreuzungspunkte notwendig.
- Es ist weiterhin bekannt, dass kristalline Silizium-Wafer dergestalt gefräst werden, dass ein Kreuzgitter entsteht. Dabei sind die Kreuzungspunkte durch totalen Materialabtrag gekennzeichnet, so dass hier eine Transparenz entsteht, die gewünscht ist.
- In der
US 4 704 369 A wird in5 angegeben, wie aus einer von einer Vorratsrolle abgewickelter Dünnschichtsolarzellenfläche viereckige Teilchen ausgestanzt werden, welche im folgenden als Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Die verbleibende Restfläche wird verworfen. Deshalb ist ein möglichst enges Ausstanzen gefordert, um den Anfall des nicht verwertbaren Restes zu minimieren. -
US 6 316 283 B1 zeigt in6 kreisförmige Ausstanzungen, die sich über die Breite einer von einer Rolle abgewickelten Dünnschichtsolarzellfläche erstrecken. -
US 2009/0 114 262 A1 -
US 2009/0 065 060 A1 - Die Erfindung hat das Ziel, in ökonomisch vertretbarer Weise transparente oder teiltransparente Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung zu stellen. Das soll durch einen intelligenten Verfahrensablauf der Herstellung erreicht werden. Die erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellen sollen ein ausgewogenes Verhältnis von optischer Transparenz und elektrischer Leistung aufweisen, um den jeweiligen spezifischen Anforderungen des Einsatzgebietes gerecht zu werden.
- Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung transparenter oder teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen auf einem flexiblen Träger anzugeben und nach diesem Verfahren transparente oder teiltransparente Dünnschichtsolarzellen herzustellen.
- Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zunächst eine flexible Dünnschichtsolarzelle in an sich bekannter Weise durch Schichtaufbau auf einem flexiblen Träger hergestellt wird. Der flexible Träger kann dabei ein Kunststoff wie Polyimid, Metallfolie, dünne Keramik, Textil oder dergleichen sein. Der Schichtaufbau der Dünnschichtsolarzelle kann zu CuInSe2 (CIS), Cu(In, Ga)Se2 (CIGS), Cu(In, Ga)(Se, S)2 (CIGSS) oder CuGaSe2 (CGS) oder vergleichbaren Dünnschichtsolarzellen führen.
- Erfindungsgemäß werden flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet, dass der gesamte Zellenaufbau einschließlich des flexiblen Trägers durchbrochen wird. Geeignet dazu ist zum Beispiel ein Stanzwerkzeug, das Öffnungen als ein Muster durch die Zeile erzeugt. Die Öffnungen gewährleisten die Transparenz, sie wirken als Fenster für das Licht, während das Gerüst der Dünnschichtsolarzellen die Stabilität derselben sichert.
- Als Werkzeug besonders geeignet sind Rotationsstanzwerkzeuge, aber auch Mikrobohrer oder Laserstrahlanordnungen.
- Das Verhältnis der Flächen zwischen entfernter und verbliebener Dünnschichtsolarzelle beträgt 5:1 bis zu 1:60. Bevorzugt ist ein Verhältnis von 1:8. Das gewährleistet sowohl Stabilität als auch Transparenz und begrenzt den Verlust an Energiewandlungskapazität.
- Die angesprochenen Flächenverhältnisse werden in
- In einer Ausführungsform der Erfindung werden die gestanzten Dünnschichtsolarzellen zwischen transparenten starren Platten bzw. Folien einlaminiert, so dass eine starre bzw. flexible Stabilität gewährleistet ist, die in einer Reihe von Anwendungsfällen gefordert sein kann.
- Durch umfangreiche Versuche wurde festgestellt, welche Stanzmuster sich besonders eignen, um einmal die Stabilität der flexiblen Dünnschichtsolarzelle zu sichern, die Transparenz im gewünschten Umfang zu gewährleisten und die Energieausbeute auf erforderlichem Niveau zu halten.
- Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
- Beispiel 1
- Dieses erste Beispiel 1 ist bekannt und beschreibt den Herstellungsprozess einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle, die nachfolgend teiltransparent gestaltet wird. Es wird wie folgt verfahren:
- (a) ganzflächiges Abscheiden einer Molybdänschicht auf einer Polyimidfolie in bekannter Weise mittels DC-Sputtern.
- (b) ganzflächiges Abscheiden der photoaktiven Halbleiterleiterschicht (Cu(In, Ga)Se2) mittels Vakuum-Koverdampfung der Elemente Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se).
- (c) ganzflächiges Abscheiden einer Pufferschicht, vorzugsweise bestehend aus Cadmiumsulfid (CdS) im nasschemischen Bad, z. B. nach
DE 10 2007 036 715 A1 - (d) ganzflächiges Abscheiden einer intrinsischen Zinkoxidschicht (i-ZnO) mittels RF-Sputtern.
- (e) ganzflächiges Abscheiden einer Aluminium-dotierten Zinkoxidschicht (ZnO:Al) über DC-Sputtern.
- (f) Erzeugen von Strukturierungsgräben mittels mechanischem Ritzen.
- (g) Aufbringen der Kontaktfinger und Sammelkontakte über Bedruckung mit Polymerpaste mit darin enthaltenen elektrisch leitfähigen Partikeln im Siebdruckverfahren und anschließende Trocknung der gedruckten Paste.
- (h) Vereinzeln der Solarzellen in entsprechende Abmessungen mittels Rotationsstanze.
- In weiteren Beispielen sind die folgenden Varianten realisiert worden:
zu (a): neben Polyimidfolie sind andere temperaturstabile Polymerfolien, Metallfolien, Glassubstrate oder Verbundwerkstoffe (z. B. glasfaserverstärkten Textilien) als Substrate verwendet worden. Die Molybdänschicht kann auch aus mehreren Metallschichten bestehen.
zu (b): neben Cu(In, Ga)Se2 sind als photoaktive Schicht auch die Verbindungen CuGaSe2, CuInSe2, CuGaS2, CuInS2, Cu(In, Ga)(S, Se)2 verwendet worden. Die photoaktive Schicht kann auch durch einen Druckprozess, eine galvanische Abscheidung oder dem Aufsputtern der Metalle und Cu, In, Ga und nachfolgender Selenisierung dargestellt werden.
zu (c): die CdS-Schicht ist durch alternative Puffer wie z. B. ZnS, ZnSe, InS, InSe, ZnMgO etc. ersetzt worden.
zu (e): ZnO:Al sind z. B. durch ZnO:Ga, ZnO:B oder ITO ersetzt worden
zu (f): das Erzeugen der Strukturierungsgräben ist mit Hilfe von Lasern erfolgt
zu (g): die Kontaktfinger und Sammelkontakte sind mittels Vakuumverdampfung eines Metalls und der Verwendung von Schattenmasken abgeschieden worden.
zu (h): das Vereinzeln der Solarzellen ist mit Lasern oder mechanischen Stanzen wie z. B. Flachbettstanzen erfolgt. - Beispiel 2
- Das Verfahren zur Herstellung teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen geht von funktionsfähigen Dünnschichtsolarzellen aus und behandelt diese wie folgt.
- Nach dem Prozessschritt g) (Aufbringen des Kontaktgrids) erfolgt das Vereinzeln der Zellen in geforderte Größen mittels einer Rotationsstanze. Gleichzeitig werden mit derselben Rotationsstanze Bereiche zwischen den Kontaktfingern ausgestanzt, um eine Teiltransparenz zu erreichen.
- Die ausgestanzten Bereiche können neben dem in der Abbildung dargestellten Muster beliebige Formen wie z. B. Rechtecke, Quadrate, Sterne, Kreuze etc. aufweisen (jeweils mit oder ohne abgerundete Ecken). Bevorzugte Formen sind Kreise. Bei Kreisen besteht das geringste Risiko des Einreißens und somit Beschädigung der flexiblen Dünnschichtsolarzelle.
- Beim Stanzen wird der gesamte Schichtaufbau der Solarzelle inklusive des flexiblen Substrates durchtrennt.
- Alternativ zu Rotationsstanzen können für den Trennprozess beliebige mechanische Stanzen wie z. B. Flachbettstanzen, Mikrobohrer oder Laser verwendet werden.
- Die im Beispiel verwendete Dünnschichtsolarzelle stammt aus der Produktion der Solarion AG Leipzig und weist vor dem Stanzen die folgenden Parameter auf:
Gesamt Fläche = 3906 mm2 Transparenz = 0% Leistung = 250 mW - Nunmehr wird die flexible Dünnschichtsolarzelle bearbeitet.
- Is Stanzwerkzeug wird eine Rotationsstanze verwendet. Nach erfolgter Behandlung weisen die Zellen die folgenden Parameter auf.
Beispiel Zelle 1 Beispiel Zelle 2 Gesamt Fläche = 3472 mm2 Gesamt Fläche = 3584 mm2 Transparenz = 11% Transparenz = 9% Leistung = 220 mW Leistung = 212 mW - Das Ausstanzen kann erfindungsgemäß auch vor dem Aufbringen der Kontaktfinger (Prozessschritt g) oder vor dem Erzeugen der Strukturierungsgräben (Prozessschritt f) erfolgen.
- Beispiel 3
- Die flexiblen Dünnschichtsolarzellen werden zwischen zwei transparenten starren Auflageflächen, nämlich Glasplatten, fixiert und kontaktiert.
- Alternativ werden die Dünnschichtsolarzellen zwischen zwei transparenten flexiblen Auflageflächen, nämlich transparenten Kunststofffolien fixiert und kontaktiert.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung teiltransparenter Dünnschichtsolarzellen, wobei flexible Dünnschichtsolarzellen mit einem Werkzeug dergestalt bearbeitet werden, dass sie einschließlich Trägerfolie in einem Muster von Öffnungen derart durchstoßen werden, dass im Bereich der Öffnungen die Dünnschichtsolarzellen einschließlich Trägerfolie entfernt werden, wobei das Muster sowohl die mechanische Stabilität der flexiblen Dünnschichtsolarzelle als auch den Wirkungsgrad der Energiewandlung als auch die angestrebte optische Transparenz gewährleistet, so dass bei den erhaltenen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen die das Muster bildenden Öffnungen jeweils zwischen benachbarten Fingern eines Kontaktgrids angeordnet sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen entfernter und belassener Fläche von den flexiblen Dünnschichtsolarzellen zwischen 5:1 und 1:60 beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 1:8 beträgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus regelmäßig angeordneten kreisförmigen Ausstanzungen besteht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Muster bildenden Öffnungen Rechtecke oder Quadrate oder Sterne oder Kreuze darstellen.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Öffnungen in die flexible Dünnschichtsolarzelle als Werkzeuge Stanzen, Mikrobohreranordnungen oder Laserstrahlanordnungen angewendet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die teiltransparenten flexiblen Dünnschichtsolarzellen zu Modulen verschaltet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen zwischen starren transparenten Trägern fixiert werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen zwischen flexiblen transparenten Trägern fixiert werden.
- Teiltransparente flexible Dünnschichtsolarzelle, wobei eine Trägerfolie der Dünnschichtsolarzelle einschließlich der energiewandelnden Schichten Öffnungen aufweist welche das Durchtreten von Licht ermöglichen und die Teiltransparenz sicherstellen, wobei bei den teiltransparenten Dünnschichtsolarzellen die ein Muster bildenden Öffnungen jeweils zwischen benachbarten Fingern eines Kontaktgrids angeordnet sind.
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