DE69921607T2

DE69921607T2 - Verfahren zum Entfernen von Kurzschluss-Abschnitten einer Solarzelle

Info

Publication number: DE69921607T2
Application number: DE69921607T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Hayashi; Masataka Kondo
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: EP1494294B1; EP1039553A3; US6228662B1; DE69921607D1; ES2324100T3; DE69940618D1; EP1039553A2; EP1494294A3; AU763332B2; ATE426250T1; AU3684299A; ES2232083T3; ATE281699T1; EP1039553B1; EP1494294A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Solarzellen und insbesondere ein Verfahren zum Entfernen von Kurzschlüssen in Solarzellenelementen während der Fertigung.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Wie in 1 gezeigt, umfaßt eine Dünnschicht-Solarzelle 10 eine Vielzahl von Solarzellenelementen 5a, 5b und 5c, die auf einem isolierenden Substrat 1 ausgebildet sind. Jedes Solarzellenelement 5 umfaßt eine erste Elektrode 2, die auf einer Oberfläche des Substrats 1 in einem vorgegebenen Muster ausgebildet ist, eine Halbleiterschicht 3 zum Durchführen photoelektrischer Umwandlung, die auf der Oberfläche der ersten Elektrode 2 ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode 4, die auf der Oberfläche der photoelektrischen Umwandlungs-Halbleiterschicht 3 ausgebildet ist. Die Halbleiterschicht 3 kann aus einem nichtkristallinen Halbleiter bestehen. Die Vielzahl von Solarzellenelementen 5a, 5b und 5c ist in Reihe geschaltet, indem die erste Elektrode 2a von Solarzellenelement 5a mit der zweiten Elektrode 4b des angrenzenden Solarzellenelements 5b und die erste Elektrode 2b von Solarzellenelement 5b mit der zweiten Elektrode 4c des angrenzenden Solarzellenelements 5c verbunden sind.
Wenn ein Glassubstrat, ein transparentes Harzsubstrat oder dergleichen als isolierendes Substrat 1 der Solarzelle verwendet wird, wird ein transparentes Elektrodenmaterial. wie etwa ITO (Indium-Zinn-Oxid, mit Zinnoxid vermischtes Indiumoxid) oder dergleichen, als erste Elektrode 2 verwendet, und ein metallisches Elektrodenmaterial wird als zweite Elektrode 4 verwendet. Wenn nichttransparentes Material als isolierendes Substrat 1 verwendet wird, wird ein metallisches Elektrodenmaterial als erste Elektrode 2 verwendet und ein transparentes Elektrodenmaterial wird als zweite Elektrode 4 verwendet.
Wenn die Halbleiterschicht 3 ein nichtkristalliner Halbleiter auf Siliziumbasis ist, kann sowohl nichtkristallines Silizium, das aus einer Legierung von Silizium und Kohlenstoff oder anderem Metall, wie zum Beispiel Germanium, Zinn usw., besteht, verwendet werden, als auch nichtkristallines Silizium, hydriertes nichtkristallines Silizium, hydriertes nichtkristallines Siliziumkarbid oder nichtkristallines Siliziumnitrid. Ferner können diese nichtkristallinen oder polykristallinen Halbleitermaterialien in Form eines pin-, nip-, ni-, pn-, MIS-, Heteroübergangs-, Homoübergangs- oder Schottky-Typs oder einer Kombination der oben genannten verwendet werden. Außerdem kann die Halbleiterschicht nicht nur unter Verwendung einer Siliziumbasis, sondern auch einer CdS-, GaAs-, InP-Basis usw. ausgebildet werden.
Wenn zum Beispiel ein Kurzschluß zwischen der ersten Elektrode 2b und der zweiten Elektrode 4b eines Solarzellenelements 5b durch einen Lunker auftritt, der während der Fertigung in der photoelektrischen Umwandlungs-Halbleiterschicht 3b entstanden ist, wird bekanntlich der Kurzschlußabschnitt entfernt oder durch Oxidation isoliert.
Wenn sich ein zu entfernender Kurzschlußabschnitt zwischen der ersten Elektrode 2b auf der Substratseite des Solarzellenelements 5b und der zweiten Elektrode 4b auf der Rückseite der photoelektrischen Umwandlungs-Halbleiterschicht 3b befindet, werden Prüfelektroden 6a und 6b verwendet, die mit den Elektroden 4b bzw. 4c Kontakt herstellen. Eine Gleichspannung oder eine Rechteck-Impulsspannung, die nicht die Grenz-Sperrspannung (Durchbruchspannung in Sperrichtung) überschreitet, wird in Sperrichtung (0-V-Seite), wie in 2 gezeigt, zwischen der ersten Elektrode 2b und der zweiten Elektrode 4b, die die photoelektrische Umwandlungs-Halbleiterschicht 3b schichtartig umgeben, angelegt. Der elektrische Strom wird im Kurzschlußabschnitt konzentriert, was Joulesche Wärme erzeugt. Aufgrund der erzeugten Jouleschen Wärme kommt es zur Oxydation von Metall. Die Oxydation von Metall isoliert den Kurzschlußabschnitt. Ein anderes Verfahren zum Entfernen des Kurzschlusses umfaßt die Beseitigung des Kurzschlußabschnitts durch Auflösen des Metalls.
Eine Solarzelle ist jedoch einer Diode vergleichbar. Somit verhält sich das Solarzellenelement 5, das aus der ersten Elektrode 2, der photoelektrische Umwandlungs-Halbleiterschicht 3 und der zweite Elektrode 4 besteht, wenn die Rückwärtsspannung zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 4 angelegt wird, wie ein Kondensator, und Ladungen sammeln sich im Kondensator. Infolgedessen verbleiben, wenn die Gleichspannung zwischen den Elektroden 2 und 4 angelegt wird, Ladungen zwischen den Elektroden 2 und 4, selbst nachdem die angelegte Spannung plötzlich abgeschaltet wurde. Die durch diese Ladungen erzeugte Spannung kann einen elektrischen Durchschlag in schwachen Abschnitten der photoelektrischen Umwandlungs-Halbleiterschicht 3 an anderen Stellen als dort, wo die Fehler auftreten, verursachen.
Um solche gesammelten Ladungen und die von solchen Ladungen erzeugte hohe Spannung zu vermeiden, wird die Spannung des Rechteckimpulses, der an die Elektroden angelegt wird, um Oxydation hervorzurufen (2), normalerweise auf Pegel begrenzt, die viel niedriger als die Grenz-Sperrspannung sind. Normalerweise wird ein Spannungsimpuls von 4 V in Sperrichtung angelegt. Jedoch erzeugt ein solcher Niedrigspannungsimpuls oft nicht genug Joulesche Energie, und deshalb können nicht alle Kurzschlußabschnitte durch die erzeugte Joulesche Wärme entfernt oder oxydiert werden. Gleichzeitig tritt noch mancher Durchschlag der nicht-kurzgeschlossenen normalen Abschnitte durch Entladung der angesammelten Ladungen in bestimmten Abschnitten auf, wo die Durchbruchspannung des Halbleiters niedrig ist.
JP 63041081 beschreibt ein Verfahren zum Entfernen von Kurzschlüssen in einer Halbleiterdünnschicht. Das Verfahren umfaßt das Anlegen einer Sperrvorspannung zwischen einem geeigneten Paar von Elektroden.
Das US-Patent 4166918 offenbart ein Verfahren zum Entfernen effektiver elektrischer Kurzschlüsse und Nebenschlüsse, die während des Herstellungsprozesses entstanden sind, und zur Verbesserung der Leistung einer Solarzelle mit einer Dickschicht-Klebelektrode gegenüber der klebfertigen Fläche durch Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung in einer Höhe, die hoch genug ist, um die elektrischen Kurzschlüsse und Nebenschlüsse auszubrennen, aber niedriger als die Durchbruchspannung der Solarzellen. Das US-Patent 5418680 beschreibt ein weiteres Verfahren zum Entfernen von Kurzschluß-Abschnitten einer Halbleitervorrichtung, wobei eine Wechselspannung verwendet wird; die Wechselspannung kann dabei eine geeignete Wellenform haben, wie zum Beispiel Sinuswelle, Rechteckwelle oder Exponentialwelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Entfernen von Kurzschluß-Abschnitten in einem Dünnschicht-Solarzellenelement, das einem oder mehreren Problemen aufgrund von Beschränkungen und Nachteilen des Standes der Technik wesentlich vorbeugt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die zuverlässige Beseitigung von Kurzschluß-Abschnitten durch eine Spannungsquelle ermöglicht, die in Sperrichtung zwischen den Elektroden angelegt wird, ohne nicht kurzgeschlossene Abschnitte zu beschädigen.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch die praktische Umsetzung der Erfindung erkannt werden. Die Ziele und weitere Vorteile der Erfindung werden durch die Struktur, die in der schriftlichen Beschreibung und ihren Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungen aufgezeigt wird, realisiert und erreicht.
Um diese und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie er hier dargestellt und ausführlich beschrieben ist, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Entfernen von Kurzschluß-Abschnitten in einem Dünnschicht-Solarzellenelement bereit, das das Anlegen einer Pseudo-Wechselspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des Solarzellenelements umfaßt. Diese Spannung induziert einen Wechselstrom, der die angesammelten Ladungen im Solarzellenelement entlädt, wodurch es vor hohen Spannungen geschützt wird, die durch angesammelte Ladungen erzeugt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen von Kurzschluß-Abschnitten in einem Solarzellenelement bereitgestellt, das eine erste und eine zweite Elektrodenschicht und eine Halbleiterschicht zur photoelektrischen Umwandlung, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet ist, umfaßt; wobei das Verfahren das Anlegen einer Wechselspannung über die erste und zweite Elektrodenschicht umfaßt, wobei die Wechselspannung eine Rückwärtskomponente in einer Sperrichtung und eine Vorwärtskomponente in einer Durchlaßrichtung enthält, wobei die Vorwärtskomponente einen kleineren Betrag hat als die Rückwärtskomponente, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine abgestumpfte sinusförmige Wellenform hat.
Bevorzugten Formen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Man beachte, daß sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dazu dienen sollen, weitere Erklärungen der in den Ansprüchen definierten Erfindung zu liefern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Dünnschicht-Solarzellenvorrichtung dar;
2 stellt eine Spannung dar, die an ein Solarzellenelement angelegt wird, um Kurzschluß-Abschnitte gemäß der herkömmlichen Methode zu entfernen; und
3A–3C stellen Wellenformen einer Spannung dar, die an ein Solarzellenelement angelegt wird, um Kurzschluß-Abschnitte zum Teil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu entfernen; und
4A–4D stellen Wellenformen einer Spannung dar, die an ein Solarzellenelement angelegt wird, um Kurzschluß-Abschnitte zum Teil gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 wird, um einen Kurzschluß-Abschnitt in der photoelektrischen Umwandlungs-Halbleiterschicht 3b eines Dünnschicht-Solarzellenelements 5b zu entfernen, eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 2b auf der Substratseite der Halbleiterschicht 3b und der zweiten Elektrode 4b auf der Rückseite der Halbleiterschicht 3b durch Prüfelektroden 6b und 6a, die mit Elektroden 4c bzw. 4b verbunden sind, angelegt. Die angelegte Spannung hat eine Pseudo-Wechselwellenform, wovon einige Beispiele in 3A–3C und 4A–4D gezeigt werden.
In 3A hat die angelegte Pseudo-Wechselspannung 32 eine sinusförmige Wellenform, die zwischen 0 V und einer Rückwärts-Spitzenspannung wechselt, welche von Fall zu Fall und bis zur Grenz-Sperrspannung, die normalerweise bei 8 V liegt, festgelegt wird. Durch Anlegen einer Spannung mit einer solchen Wellenform wird die angelegte Spannung allmählich an 0 V angenähert, das heißt, die Rückwärtsspannung wird ausgehend von einer Rückwärts-Spitzenspannung verringert. Somit nehmen die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 2b und 4b angesammelten Ladungen mit abnehmenden Beträgen der angelegten Spannung ab, und ein Durchbruch in nicht kurzgeschlossenen normalen Abschnitten wird vermieden.
3B zeigt ein Beispiel der angelegten Pseudo-Wechselspannung 34 gemäß der Erfindung, das die Form der unteren Hälfte einer sinusförmigen Welle hat. Der Spitzenwert in der Sperrichtung ist annähernd gleich der Durchbruchspannung des Solarzellenelements in Sperrichtung, und die angelegte Spannung ist 0 V während der Hälfte der Zeit. Wiederum werden die zwischen den Elektroden 2b und 4b angesammelten Ladungen während des Zeitabschnitts entladen, in dem die Höhe der Sperrspannung abnimmt, und außerdem während des Zeitabschnitts, in dem die angelegte Spannung 0 V beträgt. Somit wird ein Durchbruch in nicht kurzgeschlossenen normalen Abschnitten vermieden.
3C stellt noch ein weiteres Beispiel der angelegten Pseudo-Wechselspannung 36 dar, das eine sägezahnförmige Wellenform hat. Der Spitzenwert in der Sperrichtung wird wiederum von Fall zu Fall festgelegt und reicht bis zur Grenz-Sperrspannung des Solarzellenelements, während der Spannungspegel der anderen Spitzen der Sägezahnwelle 0 V beträgt. Wie bei den Ausführungsformen von 3A und 3B nehmen die zwischen den Elektroden 2b und 4b angesammelten Ladungen mit abnehmenden Beträgen der angelegten Spannung ab, und ein Durchbruch in nichtkurzgeschlossenen normalen Abschnitten wird wieder vermieden. Wenngleich in den Ausführungsformen von 3A–3C die Spitzenspannung in der Sperrichtung so dargestellt ist, daß sie der Durchbruch-Sperrspannung des Solarzellenelements entspricht, kann sie auch niedriger als die Durchbruch-Sperrspannung sein. Zusätzlich ist es möglich, die Spitzenspannung in der Sperrichtung kurzzeitig bis zu einem Wert zu erhöhen, der die Durchbruch-Sperrspannung der Solarzelle übersteigt, wie zum Beispiel 10 V.
4A–4D stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, in denen die angelegte Pseudo-Wechselspannung eine große Rückwärtskomponente und eine kleinere Vorwärtskomponente hat. In 4A hat die angelegte Pseudo-Wechselspannung 42 eine sinusförmige Wellenform. Vorzugsweise ist die Spitzenspannung in der Sperrichtung mindestens 1 V (in der Zeichnung als ungefähr gleich der Durchbruch-Sperrspannung gezeigt), während die Spitzenspannung in der Vorwärtsrichtung ungefähr 0,5 V ist.
4B stellt ein Beispiel der angelegten Pseudo-Wechselspannung 44 gemäß der Erfindung dar, das die Form einer abgestumpften sinusförmigen Welle hat. Die Rückwärtskomponente 44a der angelegten Spannung umfaßt die untere Hälfte der sinusförmigen Welle mit einem von Fall zu Fall festgelegten Spitzensperrwert, dessen Betrag etwa der gleiche wie der anderer Wellenformen ist, während die Vorwärtskomponente 44b einen abgestumpften Abschnitt der sinusförmigen Welle umfaßt, der ein flaches Oberteil besitzt, das vorzugsweise 0,2 V nicht überschreitet.
4C zeigt ein weiteres Beispiel der angelegten Pseudo-Wechselspannung 46 mit einer rechteckigen Wellenform, die eine große Rückwärtskomponente und eine kleine Vorwärtskomponente, die 0,2 V nicht überschreitet, umfaßt.
4D zeigt ein weiteres Beispiel der angelegten Pseudo-Wechselspannung 48 mit einer Sägezahn-Wellenform, die eine große Rückwärtskomponente und eine kleine Vorwärtskomponente umfaßt, die 0,2 V nicht überschreitet, umfaßt.
In den Ausführungsformen von 4A–4D werden durch Anlegen der Pseudo-Wechselspannung mit einer solchen Wellenform die zwischen den Elektroden 2b und 4b angesammelten Ladungen entladen, wenn die Vorwärtsspannung angelegt wird. Infolgedessen wird ein Durchbruch nichtkurzgeschlossener normaler Abschnitte des Solarzellenelements vermieden. Außerdem kann die Sperrspannung, da durch die Vorwärtskomponente die nachteilige Wirkung der Ladungsansammlung verringert oder beseitigt wird, kurzzeitig bis zu einem Pegel erhöht werden, der höher ist als die Durchbruch-Sperrspannung des Solarzellenelements, wie zum Beispiel auf 10 V, was zu einer zuverlässigeren Entfernung der Kurzschluß-Abschnitte führt.
In einem Test wurde eine Pseudo-Wechselspannung mit einer in 3A gezeigten Wellenform zwischen den ersten und zweiten Elektroden von 60 in Reihe geschalteten Solarzellenelementen, die Kurzschlüsse enthielten, angelegt. Im Ergebnis wurden Kurzschlüsse in 57 der 60 Zellen entfernt. In einem weiteren Test wurde eine Pseudo-Wechselspannung mit einer in 4A gezeigten Wellenform angelegt und Kurzschlüsse in 58 der 60 Zellen wurden entfernt. Zum Vergleich wurden, wenn ein herkömmlicher Rechteck-Wellenimpuls von 4 V wie in 2 gezeigt angelegt wurde, Kurzschlüsse nur in 50 von 60 Zellen entfernt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine 60-Hz-Wechselstrom-Stromversorgung an die ersten und zweiten Elektroden des Solarzellenelements als Quelle der Pseudo-Wechselspannung zur Entfernung von Kurzschlüssen angelegt. Besonders bevorzugt wird die Schwingungsdauer der angelegten Pseudo-Wechselspannung so ausgewählt, daß sie ungefähr der Zeitkonstante des Solarzellenelements entspricht, die durch die Kapazität C und den Widerstand R in der Sperrichtung der Zelle bestimmt wird. Dies führt zu einer effektiveren Entladung der angesammelten Ladungen. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Frequenz der angelegten Pseudo-Wechselspannung zwischen etwa 20 und 1000 Hz und besonders bevorzugt zwischen etwa 50 und 120 Hz.
Dem Fachmann wird schnell ersichtlich, daß bei einem Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsdgedanken oder Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können, wenngleich mehrere Beispiele von Pseudo-Wechselwellenformen in 3A–3C und 4A–4D gezeigt werden, auch andere Wellenformen verwendet werden, solange sie eine relativ große Rückwärtskomponente und keine Vorwärtskomponente oder eine vergleichsweise kleine Vorwärtskomponente enthalten. Außerdem können die Spitzenspannungen in der Sperr- und Durchlaßrichtung größer oder kleiner sein als die oben gezeigten und beschriebenen sein. Außerdem muß die Pseudo-Wechselspannung nicht streng periodisch sein. Die vorliegende Erfindung schließt somit Abwandlungen und Veränderungen dieser Erfindung ein, vorausgesetzt, daß sie im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.

Claims

Verfahren zum Entfernen von Kurzschlüssen in einem Dünnschicht-Solarzellenelement (10) mit einer ersten (2b) und einer zweiten (4b) Elektrodenschicht und einer Halbleiterschicht (3b) zur photoelektrischen Umwandlung, die zwischen der ersten (2b) und zweiten (4b) Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei das Verfahren das Anlegen einer Wechselspannung zwischen der ersten (2b) und zweiten (4b) Elektrodenschicht aufweist, wobei die Wechselspannung eine Rückwärtskomponente in einer Sperrrichtung und eine Vorwärtskomponente in einer Durchlaßrichtung enthält, wobei die Vorwärtskomponente von kleinerer Größe als die Rückwärtskomponente ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine abgestumpfte sinusförmige Wellenform hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Vorwärtskomponente null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Rückwärtskomponente kleiner als die Durchbruch-Sperrspannung des Solarzellenelements ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Rückwärtskomponente im wesentlichen gleich der Durchbruch-Sperrspannung des Solarzellenelements ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Rückwärtskomponente kurzzeitig größer als die Durchbruch-Sperrspannung des Solarzellenelements ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Vorwärtskomponente ungleich null ist und wobei der Betrag der Rückwärtskomponente 10 V ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Vorwärtskomponente null ist und wobei der Betrag der Rückwärtskomponente 8 V ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorwärtsspannung kleiner als 0,2 V ist und die Rückwärtsspannung größer als 1 V ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsdauer der Wechselspannung einer Zeitkonstante des Dünnschicht-Solarzellenelements entspricht, die durch eine Kapazität und einen Widerstand in einer Sperrrichtung des Solarzellenelements zu dem Zeitpunkt, wo die Wechselspannung angelegt wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der Wechselspannung zwischen 20 und 1000 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Frequenz der Wechselspannung zwischen 50 und 120 Hz liegt.