DE3545385A1 - Verfahren zur herstellung einer solarzellenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung in Reihenschaltung und integrierter Dünnschichttechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-Al 32 10 742 bekannt. Dort wird in einem ersten Verfahrensschritt auf einem Glassubstrat eine als erste Elektrodenschicht dienende, transparente Metallschicht großflächig auf­ gedampft. Anschließend wird diese erste Elektroden­ schicht, vorzugsweise durch Ritzen, in bestimmten Bereichen abgetragen, um so bis auf die Substrat­ oberfläche herabreichende Gräben zu erzeugen. Durch diesen Verfahrensschritt ist bereits die Strukturierung in eine Folge nebeneinanderliegender, einzelner Solar­ zellen vorgegeben. Sodann wird auf die nunmehr getrennten Zonen der ersten Elektrodenschicht eine durchgehende Halbleiterschicht großflächig abgeschie­ den. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um amorphes Silizium, welches beispielsweise eine pin-Schicht­ struktur aufweist. Die großflächige Abscheidung der Halbleiterschicht erfolgt im Quasi-Vakuum mit Hilfe eines Glimmentladungsverfahrens aus einer beispiels­ weise silanhaltigen Gasatmosphäre, siehe etwa die US-PS 40 64 521. Anschließend werden auf der durchgehenden Halbleiterschicht, die intern so strukturiert ist, daß einfallende elektromagnetische Energie, insbesondere in Form von Licht, in elektrische Ladung umgewandelt wird, separate Kontaktelemente aufgebracht, welche später zur Reihenverschaltung der einzelnen Solarzellen dienen sollen. Diese Kontaktelemente, beispielsweise aus Aluminium bestehend, werden mit Hilfe von Maskierungs­ verfahren oder auf photolithographischem Wege streifen­ förmig aufgedampft, und zwar in etwa oberhalb der durch die bereichsweise Entfernung der ersten Elektroden­ schicht entstandenen Gräben. In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine durchgehende, zweite Elektrodenschicht, beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO) bestehend, über der Halbleiterschicht mit den darauf befindlichen Kontaktelementstreifen aufgedampft. Dies geschieht im allgemeinen ebenfalls im Vakuum. In der so entstandenen Solarzellenanordnung sind die einzelnen Solarzellen noch durch die durchgehende zweite Elektrodenschicht an ihrer Oberseite elektrisch kurzgeschlossen. Um diesen Kurzschluß aufzuheben, wird die zweite Elektrodenschicht sowie die Halbleiter­ schicht neben den Kontaktelementstreifen bis in die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht hinein ein­ geritzt, beispielsweise ebenso wie im Falle der ersten Elektrodenschicht unter Verwendung eines Laserstrahles. Hiermit sind die einzelnen Solarzellen elektrisch nahezu voneinander isoliert. Um eine Reihenverschaltung der Solarzellen untereinander zu bewirken, wird die Anordnung anschließend einer Wärmebehandlung unter­ zogen, so daß durch die Erhitzung die metallischen Kontaktelemente dornenartig durch die Halbleiterschicht bis zur Oberfläche der jeweiligen ersten Elektroden­ schicht der benachbarten Solarzelle hindurchschmelzen. Somit sind die elektrischen Kontakte zwischen den ersten und zweiten Elektrodenschichten je zweier benachbarter Solarzellen hergestellt.

Dieses bekannte Herstellungsverfahren erweist sich insgesamt als relativ aufwendig. Zwar werden abgesehen von der ersten Elektrodenschicht weitere zwei Schich­ ten, nämlich die Halbleiterschicht sowie die zweite Elektrodenschicht durch Vakuumverfahren großflächig abgeschieden, jedoch sind diese beiden Verfahrens­ schritte durch einen zwischengeschalteten Verfahrens­ schritt zur Aufbringung der streifenförmigen, metalli­ schen Kontaktelemente unterbrochen. Dies geschieht unter Anwendung eines Maskierungsverfahrens bzw. auf lithographischem Wege. Diese beiden Verfahrensvarianten sind relativ aufwendig und bedingen eine Unterbrechung des Vakuumprozesses. Weiterhin ist die Herstellung der Reihenverschaltung der einzelnen Solarzellen durch Wärmebehandlung mit einer gewissen Unsicherheit ver­ bunden. Das gleichmäßige Hindurchschmelzen der metalli­ schen Kontaktelemente durch die Halbleiterschicht ist nur schwer zu kontrollieren und die Kontaktierung daher möglicherweise ungleichmäßig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches verfahrenstechnisch möglichst einfach durch­ zuführen ist, wobei die Reihenverschaltung der einzel­ nen Solarzellen so zuverlässig und gleichmäßig wie möglich erfolgen soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gegebenen Maßnahmen gelöst.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die zur Aufbringung der Halbleiter­ schicht sowie der zweiten Elektrodenschicht erforder­ lichen Vakuumprozesse direkt aufeinanderfolgen. Das Substrat mit der strukturierten ersten Elektroden­ schicht kann also direkt nacheinander durch zwei benachbarte Vakuumkammern geschleust werden, in deren erster die Halbleiterschicht und in deren zweiter die zweite Elektrodenschicht großflächig aufgebracht wird. Die halbfertige Solarzellenanordnung muß nach Aufbringen der Halbleiterschicht nicht aus dem Vakuum herausgenommen werden, um in einem aufwendigen Ver­ fahrensschritt separate Kontaktelemente aufzubringen. Es ist nicht notwendig, vor dem in einem weiteren Vakuumprozeß erfolgenden Aufdampfen der zweiten Elektrodenschicht die Halbleiteroberfläche auszugasen, und außerdem besteht nicht die Gefahr einer Verletzung der Halbleiterschicht im Zuge des Aufbringens der Kontaktelemente.

Außerdem ist durch die gemäß der Erfindung vorgesehenen weiteren Verfahrensschritte gesichert, daß die Reihen­ verschaltung durch Herstellung der Kontaktelemente auf zuverlässige und leicht kontrollierbare Weise geschieht.

Die zweite Elektrodenschicht wird, wenn der Licht­ einfall von der Substratseite her erfolgt, zweckmäßig als Metallschicht ausgeführt und zur Strukturierung in den separaten Bereichen durch Ätzen entfernt. Hierdurch ist erreichbar, daß die darunterliegende Halbleiter­ schicht nicht angegriffen wird. In den durch Ätzen freigelegten Oberflächenbereichen der Halbleiterschicht kann letztere anschließend teilweise abgetragen werden, und zwar zweckmäßig durch örtliche Anwendung von Ultraschall. Mit Hilfe einer Ultraschallsonde gelingt es auf hervorragende Weise, die Halbleiterschicht örtlich gezielt abzutragen, ohne dabei benachbarte Bereiche dieser Schicht oder die darunterliegende erste Elektrodenschicht, welche im Falle des Lichteinfalls von der Substratseite her zweckmäßig ein transparentes leitendes Oxid ist, zu beschädigen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Weise jeweils im Querschnitt:

Fig. 1 ein Substrat mit einer ersten Elektrodenschicht,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 nach Abtragung bestimmter Bereiche der ersten Elektroden­ schicht,

Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2 nach Aufbringung einer großflächigen Halbleiterschicht,

Fig. 4 die Anordnung gemäß Fig. 3 nach Aufbringung einer großflächigen zweiten Elektrodenschicht,

Fig. 5 die Anordnung gemäß Fig. 4 nach Entfernung bestimmter Bereiche der zweiten Elektroden­ schicht,

Fig. 6 die Anordnung gemäß Fig. 5 nach Abtragung separater Bereiche der Halbleiterschicht,

Fig. 7 die Anordnung gemäß Fig. 6 nach Aufbringung separater Kontaktelemente.

Die in den Figuren dargestellten Verfahrensschritte beziehen sich auf eine Solarzellenanordnung, bei der der Lichteinfall von der Substratseite her erfolgt. Daher wird ein transparentes Substrat 1, beispielsweise Glas, verwendet. Auf dieses Substrat 1 wird zunächst gemäß Fig. 1 eine durchgehende erste Elektrodenschicht 2 großflächig aufgebracht. Hierbei kann es sich bei­ spielsweise um ein transparentes leitendes Oxid (TCO), also etwa Indiumoxid, Zinnoxid oder Indiumzinnoxid (ITO) handeln. Diese erste Elektrodenschicht wird in gewohnter Weise, beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen, aufgebracht. Sodann erfolgt gemäß Fig. 2 eine Strukturierung der ersten Elektrodenschicht 2 durch Abtragen bestimmter Bereiche 3. Durch diese Strukturierung wird bereits die Aufteilung der Ober­ fläche in einzelne Solarzellen 4, 8 usw. vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Bereiche 3 grabenförmig senkrecht zur Zeichenebene. Zur Struk­ turierung der ersten Elektrodenschicht 2 können die Photolithographie, Laserstrahlen oder andere ein­ schlägige Methoden verwendet werden. Insbesondere erweist sich hier auch die Anwendung der Elektroerosion als zweckmäßig, bei der eine entsprechend geformte Sonde, welche eine Potentialdifferenz gegenüber der Elektrodenschicht aufweist, über letztere hinweggeführt wird. Hierbei kann die Elektrodenschicht mit einer zumindest schwach leitenden Flüssigkeit bedeckt sein, so daß die Schicht in ihrer Gesamtheit auf demselben Potential gehalten wird. Neben dem Laserritzen sowie der Elektroerosion sind auch andere einschlägige Ver­ fahren zur Strukturierung der aus einem transparenten leitenden Oxid bestehenden ersten Elektrodenschicht anwendbar.

Anschließend werden gemäß der Erfindung zwei unmittel­ bar aufeinanderfolgende Vakuumprozeßschritte durch­ geführt. Gemäß Fig. 3 wird zunächst eine durchgehende Halbleiterschicht 5 großflächig aufgebracht. Hierbei kann es sich um eine amorphe Siliziumschicht mit pin-Schichtstruktur handeln, jedoch sind auch andere in der Dünnschicht-Solarzellentechnik gebräuchliche Materialien verwendbar, etwa amorphes Germanium, Galliumarsenid oder Cadmiumsulfid/Kupfersulfid. Die Halbleiterschicht 5 ist jedenfalls durch pin-Übergänge oder Sperrschichtzonen so zu strukturieren, daß eine Umwandlung einfallender elektromagnetischer Energie, vorzugsweise in Form von Licht, in elektrische Energie, d.h. getrennte Ladungen, möglich wird.

Im Falle einer amorphen Siliziumschicht als Halbleiter­ schicht 5 kann diese auf übliche Weise durch Glimm­ entladung aus einer Gasatmosphäre abgeschieden werden, welche eine siliziumhaltige Verbindung, etwa Silan, ein halogenhaltiges Silan sowie gegebenenfalls Wasserstoff oder Kohlenstoffanteile enthält. Selbstverständlich sind während dieses Abscheideprozesses Dotierungs­ elemente in der erforderlichen Weise der Gasatmosphäre beizumischen.

Neben der Glimmentladung im Quasi-Vakuum sind zur Abscheidung der Halbleiterschicht 5 auch andere Vakuumverfahren zulässig, beispielsweise solche unter Anwendung thermischer oder photochemischer Zersetzung siliziumhaltiger Moleküle in der Gasphase oder auch Sputtern.

Gemäß Fig. 4 wird nun anschließend in einem zweiten Vakuumprozeßschritt auf die Halbleiterschicht 5 eine durchgehende zweite Elektrodenschicht großflächig auf­ gebracht. Hierbei kann es sich im Falle des Licht­ einfalls von der Substratseite her um eine dünne Metallschicht handeln, beispielsweise aus Aluminium, Nickel, Silber, Gold oder Titan, aus Einzelelementen oder Mischungen, etwa Aluminium und Silizium bestehend. Diese zweite Elektrodenschicht 6 wird zweckmäßig im Vakuum aufgedampft bzw. durch Sputtern aufgebracht.

Um den durch die noch nicht unterbrochene zweite Elektrodenschicht 6 an der Oberfläche sämtlicher ein­ zelnen Solarzellen bestehenden Kurzschluß aufzuheben, wird diese Elektrodenschicht nunmehr in bestimmten Bereichen 7 entfernt. Die Lage dieser Bereiche 7 ist durch diejenige der Bereiche 3 in etwa vorbestimmt, im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist eine seitlich ver­ setzte Parallellage gewählt. Die separaten Bereiche 7, in denen die darunterliegende Halbleiterschicht 5 frei­ gelegt wird, folgt also annähernd dem Muster der ab­ getragenen Bereiche 3 der ersten Elektrodenschicht 2. Die aus Metall bestehende zweite Elektrodenschicht 6 wird in den vorbestimmten Bereichen 7 vorzugsweise durch Ätzen entfernt. Durch Auswahl eines geeigneten Ätzmittels, beispielsweise einer Mischung aus Phosphor­ säure (H₃PO₄) und Salpetersäure (HNO₃) bei einer aus Aluminium bestehenden Metallschicht ist gesichert, daß die darunterliegende Halbleiterschicht 5, hier eine amorphe Siliziumschicht, nicht beschädigt wird. Alter­ nativ zum Ätzen könnte die Metallschicht in den Bereichen 7 auch durch Laserritzen entfernt werden. Ein Ätzverfahren ist jedoch u.U. apparativ weniger auf­ wendig, und mit einem solchen Verfahren ist gleichwohl eine saubere Strukturierung der zweiten Elektroden­ schicht möglich. Um Rückstände von der Oberfläche der Solarzellenanordnung zu entfernen, wird diese an­ schließend gespült.

In einem folgenden Verfahrensschritt wird nun gemäß Fig. 6 auch die in den Bereichen 7 freigelegte Halb­ leiterschicht 5 teilweise entfernt, nämlich in den Bereichen 9. Hier ist nun ein Verfahren anzuwenden, welches ein besonders genaues Abtragen der Halbleiter­ schicht in den schmalen Bereichen 9 ermöglicht. Es hat sich erwiesen, daß durch örtliche Anwendung von Ultra­ schall diese Forderung erfüllt werden kann. Verwendet wird eine Ultraschallsonde, an der ein geeignet ge­ formtes Werkzeug angebracht ist, welches über die Ober­ fläche der freigelegten Halbleiterschichtbereiche ge­ führt wird. Das Abtragen erfolgt vor allem aufgrund der spröden Eigenschaften der amorphen Siliziumschicht. Durch die richtige Wahl des Auflagedrucks des Werk­ zeuges auf die Siliziumschicht kann erreicht werden, daß die darunterliegende erste Elektrodenschicht 2 sowie das transparente Substrat 1 nicht beschädigt werden. Die Güte und Reproduzierbarkeit dieses Abtrage­ prozesses wird bestimmt durch die Auflagekraft, die Form der Hartmetallspitze des Werkzeuges, die Ultra­ schallfrequenz, die über die Ultraschallsonde ein­ gebrachte Energie sowie die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug über die Schicht geführt wird. Ultra­ schallfrequenz, Auflagedruck sowie Werkzeuggeschwindig­ keit können in folgenden Bereichen liegen: 10 bis 100 kHz, 100 bis 500 p, 1 bis 100 cm/s. Als Material der Hartmetallspitze des Werkzeuges kommen verschiedene legierte Eisenmetalle infrage.

Die gemäß Fig. 6 noch elektrisch voneinander isolierten einzelnen Solarzellen 4, 8 usw. müssen nun noch durch entsprechende Kontaktelemente miteinander serienmäßig verschaltet werden. Dies geschieht wie in Fig. 7 sche­ matisch dargestellt durch Einbringen einer elektrisch leitfähigen Paste, in die durch die entfernten bzw. abgetragenen Bereiche 7, 9 gegebenen Schichtlücken, beispielsweise durch Siebdruck, Tampondruck, Dosier­ systeme o.ä.. Die so entstehenden Kontaktelemente 10 verbinden somit jeweils die zweite Elektrodenschicht 6 (Metall) einer einzelnen Solarzelle mit der ersten Elektrodenschicht (TCO) 2 der jeweils benachbarten Solarzelle. Bei der Aufbringung der Kontaktelemente 10 ist darauf zu achten, daß durch diese elektrischer Kontakt ausschließlich zwischen der jeweils ersten Elektrodenschicht 2 einer Solarzelle mit der jeweils zweiten Elektrodenschicht 6 der benachbarten Solarzelle hergestellt wird, und daß kein Kurzschluß zwischen den jeweils ersten bzw. jeweils zweiten Elektrodenschichten benachbarter Solarzellen untereinander entsteht. Bei der endgültigen Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist der Kontakt zwischen den jeweils ersten Elektrodenschichten 2 (TCO) bereits dadurch vermieden, daß in den Bereichen 3 Halbleitermaterial verbleibt, und zwar durch ent­ sprechende Anordnung der Bereiche 7 und 9. Weiterhin ist der elektrische Kontakt zwischen den jeweiligen zweiten Elektrodenschichten (Metall) 6 dadurch ver­ mieden, daß die Bereiche 7 breiter gewählt werden als die Bereiche 9 und die elektrisch leitfähige Paste zur Herstellung der Kontaktelemente 10 praktisch nur in den Bereich 9 herabreicht und nicht die ganze Breite des Bereiches 7 ausfüllt. Als elektrisch leitfähige Paste kann z.B. Silberleitpaste gewählt werden, welche nach dem Aufbringen erstarrt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellen­ anordnung in Reihenschaltung und integrierter Dünn­ schichttechnik, bei dem zunächst auf einem Substrat eine erste Elektrodenschicht großflächig aufgebracht und anschließend in bestimmten Bereichen wieder ab­ getragen, sodann eine zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie geeignet strukturierte Halbleiterschicht durch Vakuum­ abscheidung aus der Gasphase großflächig aufgebracht wird und im weiteren Verfahrensablauf eine zweite Elektrodenschicht großflächig abgeschieden sowie zur Reihenverschaltung der einzelnen Solarzellen dienende, separate Kontaktelemente aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter­ schicht (5) und die zweite Elektrodenschicht (6) direkt nacheinander durch Vakuumabscheidung aufgebracht werden, sodann die zweite Elektrodenschicht (6) in dem Muster der abgetragenen Bereiche (3) der ersten Bereiche (7) entfernt, die dort freigelegten Bereiche der Halbleiterschicht (5) teilweise (9) abgetragen und anschließend die separaten Kontaktelemente (10) in den durch die entfernten und abgetragenen Bereiche (7, 9) der zweiten Elektrodenschicht (6) bzw. der Halbleiter­ schicht (5) gegebenen Schichtlücken unter Herstellung elektrischen Kontaktes ausschließlich zwischen den ersten und zweiten Elektrodenschichten (2, 6) je zweier benachbarter Solarzellen (4, 8) aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Elektroden­ schicht (6) eine Metallschicht ist und in den separaten Bereichen (7) durch Ätzen entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise Abtragen der Halbleiterschicht (5) in den freigelegten Bereichen (7) durch örtliche Anwendung von Ultraschall erfolgt.