DE10120579C2 - Hochsensibler Feuchteindikator für Dünnfilmtechnologie - Google Patents
Hochsensibler Feuchteindikator für DünnfilmtechnologieInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrschichtelement zur
Verwendung als hochsensibler Feuchteindikator sowie ein Ver
fahren zur Herstellung des Mehrschichtelementes. Weiterhin
betrifft die Erfindung die Verwendung des Mehrschichtelements
auf dem Gebiet der Dünnschicht-Technologie und entsprechende
Testmodule.
Die Stromgewinnung auf der Basis photovoltaischer Module ge
winnt insbesondere aufgrund der ökologischen Vorteile zuneh
mend an Bedeutung. Übliche Solarzellen oder Solarmodule, aber
auch andere strahlungsempfindliche Bauelemente wie
beispielsweise Detektoren und optoelektronische Elemente, wie
z. B. LCD-Schirme, umfassen eine oder mehrere auf einem
Trägersubstrat angeordnete Dünnschichten, welche gegenüber
Feuchtigkeit und/oder Korrosion hochempfindlich sind.
Insbesondere die optischen und/oder elektrisch aktiven Dünn
schichten sind häufig hochgradig feuchteempfindlich. Bei
spielhaft seien in diesem Zusammenhang laminierte Solarmodule
mit bordotierten Zinkoxidelektrodenschichten genannt. Setzt
man beispielsweise entsprechende Dünnschichtelemente bei der
Durchführung eines üblichen Damp-Heat-Klimatests Wasserdampf
aus, so beobachtet man insbesondere bei erhöhter Temperatur
eine ungewöhnlich starke Degradation.
Die durch den Feuchteeintrag verursachten unerwünschten
Degradationen wirken sich wiederum nachteilig auf die
Funktionsfähigkeit des jeweiligen Mehrschichtelements aus.
Bei Solar-Modulen ist beispielsweise eine signifikante
Abnahme des Wirkungsgrades zu beobachten.
Ein photovoltaisches Modul mit einer Verkapselung zum Schutz
des Moduls vor Feuchtigkeit ist beispielsweise aus der US 6 069 313
bekannt. Das Modul besteht aus einer Vielzahl
photovoltaischer Zellen mit Mehrschichtaufbau. Die Zellen,
die beispielsweise auf einem transparenten Substrat
aufgebracht sind, verfügen über eine poröse, elektrisch
leitende Schicht. Diese Schicht ist beispielsweise aus
pulverförmigem und daher besonders feuchtigkeitsempfindlichem
Molybdän.
Besonders feuchte- und korrosionsempfindliche Komponenten
sind auch in den sogenannten CIGSeS- (Kupfer-Indium-
Galliumselenid-Sulfid) oder auch CIGS-Dünnschicht-
Solarmodulen enthalten. Die CIGS-Absorberschicht ist
besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Gleiches gilt
für die sogenannten CIS-Module, bei welchen statt des
herkömmliche Siliciums Kupfer-Indium-Selinid auf Glas
aufgedampft wird.
Ein derartiges CIS-Modul ist beispielsweise aus der US 5 474 939
bekannt. Dabei ist direkt auf dem Glas eine als
sogenannte Rückelektrode des CIS-Moduls fungierende
Molybdänschicht aufgebracht. Auf der Molybdänschicht ist die
CIS-Absorberschicht aufgebracht. Als Gegenelektrode ist über
der CIS-Absorberschicht eine transparente, elektrisch
leitende Zinkoxidschicht aufgetragen.
Aufgrund der Feuchtigskeits- und/oder Korrosionsempfindlich
keit der vorgenannten Bauelemente, werden diese üblicherweise
mit einer "Schutzschicht" versehen. Die Laminierung bzw.
Verkapselung von Dünnschicht-Solarmodulen ist eine seit
langem verwendete Technologie. Durch das Aufbringen einer
Laminierung auf die feuchte- und/oder korrosionsempfindlichen
Schichten soll das Eindiffundieren von Feuchtigkeit
verhindert werden. Im Stand der Technik sind verschiedenste
Verkapselungs-Materialien und auch Aufbringungsverfahren
beschrieben. Häufig eingesetzte Verkapselungs- bzw.
Laminierungsmaterialien sind beispielsweise PVB-Folie
(Polyvinylbutyral) oder EVA-Folien (Ethylen-Vinylacetat-
Copolymer). Aber auch Zwei-Komponenten-Siliconkautschuk,
Siliconharze, doppelseitig selbstklebende Folien oder
Polyurethan-Gießharze finden als Laminierungsmaterialien
Verwendung.
Ein bekanntes Problem im Zusammenhang mit den
Aufbringungsverfahren ist, daß bei der Laminierung der
Bauelemente häufig geringe Mengen an Feuchtigkeit eingebracht
werden. Es besteht daher die Notwendigkeit, ständige
diesbezügliche Kontrollen durchzuführen.
Bei der Entwicklung neuer Laminierungs- bzw.
Verkapselungsverfahren wie auch bei der routinemäßigen
Durchführung von Laminierungsprozessen ist es demnach
unabdingbar zu untersuchen, ob durch den Arbeitsprozeß
"Laminierung" Feuchtigkeit eingetragen wurde und ob das
entsprechende Dünnschicht-Bauelement den gestellten
Anforderungen genügt. Um die am Markt gefragten
Qualitätsanforderungen zu erfüllen, müssen beispielsweise
Solarmodule eine Reihe unterschiedlicher Testverfahren
erfolgreich durchlaufen. Ein Verfahren, daß die
Klimabeständigkeit von Solarmodulen überprüfen soll, ist der
sogenannte "Damp-Heat-Test". Nach der bekannten Norm IEC 1215
werden die Module während des Tests u. a. für 1 000 Stunden
einer Temperatur von 85°C bei 85% relativer Luftfeuchte
ausgesetzt. Der Klimatest gilt als bestanden, wenn der
Wirkungsgradverlust des getesteten Solarmoduls 5% nicht
übersteigt.
Aus der JP 55023496 A und der 52107037 A1 ist jeweils ein
Feuchteindikator bekannt, dessen Farbe von einer
Umgebungsfeuchtigkeit abhängt. Der Feuchteindikator ist ein
Produkt einer mehrstufigen Reaktion, bei der unter anderem
Ammoniummolybdat eingesetzt wird.
In der Dünnfilmtechnologie werden zum Nachweis der Feuchte,
welche beispielsweise durch die Laminierfolie eingebracht
wird oder während des Damp-Heat-Tests eingedrungen bzw.
eindiffundiert ist, derzeit üblicherweise Testcoupons mit
CVD-ZnO:B-Schichten, welche auf ein Glassubstrat aufgebracht
sind, verwendet. Die Dicke der CVD-ZnO:B-Schicht beträgt
üblicherweise 1 200 bis 1 500 nm. Alternativ können auch
Testcoupons mit Molybdän-Schichten zum Nachweis von Feuchte
eingesetzt werden. Diese beiden bisher verwendeten
Testcoupons bringen jedoch eine Reihe gravierender Nachteile
mit sich.
Die heute üblichen CVD-ZnO:B-Testcoupons weisen
Kontaktbändchen aus verzinntem Kupfer auf, welche an den
gegenüberliegenden Rändern des Coupons mit Ultraschall
angelötet werden. Diese Kontaktbändchen werden auch als
Busbars bezeichnet. Auf das resultierende Testmodul wird dann
die Laminierfolie und über der Laminierfolie ein zweites
Glassubstrat bzw. eine zweite Glasplatte aufgebracht. Das so
erhaltene Dünnschicht-Paket bzw. -Modul wird dann unter
Anwendung von Temperatur und Druck unter üblichen Bedingungen
verkapselt. CVD-ZnO:B weist bei den oben angegebenen
Schichtdicken einen Flächenwiderstand von wenigen Ohm auf.
Das Verfahren zur Prüfung der Verkapselung an einem solchen
Testcoupon beruht darauf, daß eindringende bzw. eingebrachte
Feuchte bei erhöhter Temperatur zu einem irreversiblen
Anstieg des Flächenwiderstandes führt. Somit kann
nachgewiesen werden, ob das Testmodul Feuchte enthält. Ein
gravierender Nachteil dieses Testcoupons bzw. dieses
Nachweisverfahrens liegt darin, daß die Testzeit bis zum
Erhalt aussagekräftiger Ergebnisse insgesamt 1 000 Stunden
beträgt.
Eine leichte Trübung der ZnO-Schicht des Testcoupons kann als
Hinweis auf den Weg gedeutet werden, den die eindringende
Feuchte ins Innere des Testcoupons genommen hat. Das
Testverfahren erlaubt jedoch nur unzulänglich und
unzuverlässige Aussagen über den Diffusionsweg des
Wasserdampfes im Laminat. Dies ist aus nachvollziehbaren
Gründen sehr nachteilig, da es bei der Überprüfung der
Verkapselung bzw. Laminierung natürlich von großem Interesse
ist, diejenigen Stellen zu finden bzw. nachzuweisen, an
welchen die Feuchtigkeit in das Laminat eindringt. Wie
bereits erwähnt, liegt ein weiterer gravierender Nachteil des
vorbeschriebenen Verfahrens darin, daß die Testzeit insgesamt
1 000 Stunden beträgt.
Die vorbeschriebenen Nachteile gelten in gleichem Maße auch
für die weniger verbreiteten CVD-ZnO-Testcoupons, die zudem
auch noch relativ unempfindlich für ein solches Testverfahren
sind.
Wie bereits erwähnt, wird zur Überprüfung der Qualität der
Oberflächenverkapselung routinemäßig ein sogenannter Damp-
Heat-Test durchgeführt. Dieser soll sicherstellen, daß die
Verkapselung möglichst einen 100%igen Schutz vor Feuchtigkeit
bietet. Hierzu wird üblicherweise ein wie oben beschrieben
geartetes Testcoupon genauso wie ein entsprechendes
Solarmodul mit einer Verkapselung versehen und anschließend
dem Damp-Heat-Test unterzogen. In diesem Testverfahren werden
die Testcoupons für 1 000 Stunden bei 85°C einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 85% ausgesetzt. Nach dem Test wird die
Änderung des Widerstandswertes zwischen den Kontaktbändchen
gemessen. Aus der Differenz der gemessenen Widerstandswerte
vor und nach dem Test läßt sich qualitativ die Dichtheit der
Verkapselung anhand der Wirkungsgradverluste abschätzen.
Im Hinblick auf die Qualitätssicherung und die Weiterent
wicklung von Dünnschicht-Bauelementen ist es notwendig auch
den Diffusionsweg der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen
abzuschätzen. Um die Qualität bzw. Dichtheit der Verkapselung
selbst zu überprüfen, werden beispielsweise kleinere CIS-
Dünnfilm-Module im Labormaßstab von 10 × 10 cm2 hergestellt.
Das mit einer CVD-ZnO:B-Schicht und Busbars versehene
Schichtpaket wird auf eine Gegenscheibe laminiert und dem
üblichen Damp-Heat-Test unterzogen. Bei der Durchführung des
Damp-Heat-Tests an sogenannten Minimodulen bzw. Fertigmodulen
werden verschiedene elektrische Eigenschaften vor und nach
dem Test verglichen. Insbesondere wird die Leerlaufspannung,
der Strom, Füllfaktor und Wirkungsgrad der Module bestimmt.
Auch hier beträgt die Testzeit 1 000 Stunden. Das Verfahren
erlaubt außerdem eine nur sehr grobe Abschätzung des
Diffusionsgrades bzw. der Menge an Feuchtigkeit, da das
Fenstermaterial ZnO der CIS-Minimodule nach der Durchführung
des Damp-Heat-Tests milchig trübe ist und die Diffusionswege
der Feuchtigkeit daher nur schwer zu lokalisieren sind.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bisher verwendeten
Verfahren zur qualitativen Überprüfung der Verkapselung an
Testcoupons bzw. Fertigmodulen den großen Nachteil aufweisen,
daß die entsprechenden Tests 1 000 Stunden dauern. Angesichts
der Tatsache, daß bereits ausgereifte Verkapselungsverfahren
immer wieder überprüft werden müssen bzw. ständig neue
Verkapselungsverfahren entwickelt werden, sind derart lange
Testzeiten für die Erprobung der Verkapselung bzw. den
Nachweis der Dichtheit der Verkapselung äußerst nachteilig
und aufgrund des hohen Zeitaufwandes sehr kostenintensiv. Des
weiteren läßt sich anhand der bisherigen Testcoupons bzw.
Minimodule zwar der Eintrag von Feuchtigkeit nachweisen,
nicht jedoch der Diffusionsweg der Feuchtigkeit. Dies ist
insofern von großem Nachteil, da der Diffusionsweg wichtige
Rückschlüsse auf die Verkapselung selbst bzw. das untersuchte
Verkapselungsverfahren ermöglichen könnte.
Es wäre daher sehr wünschenswert, ein Verfahren zur Prüfung
der Verkapselung an Dünnschicht-Bauelementen bzw. zum
Nachweis von Feuchtigkeit zur Verfügung zu haben, welches mit
einer deutlich reduzierten Testzeit auskommt. Der
entsprechende Feuchteindikator bzw. das Testelement sollte
nicht nur einen sehr schnellen Nachweis von Feuchtigkeit
ermöglichen, sondern darüber hinaus hochsensibel gegenüber
Feuchte sein. Es wäre weiterhin wünschenswert, daß die
Auswertung des Testverfahrens möglichst einfach erfolgt,
beispielsweise ohne aufwendige Messungen bestimmter
elektrischer Eigenschaften. Es wäre außerdem von großem
Interesse, einen Indikator zur Verfügung zu haben, welcher
den Diffusionsweg der Feuchtigkeit sichtbar macht, also einen
flächenaufgelösten Nachweis erlaubt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
hochsensiblen, schnell ansprechenden Feuchteindikator zum
Nachweis von Feuchtigkeit bzw. zur Untersuchung der
Verkapselung an Dünnschicht-Bauelementen zur Verfügung zu
stellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Feuchteindikator zur Verfügung zu stellen, der die
Bestimmung der Diffusionswege von Feuchtigkeit an
verkapselten Modulen erlaubt. Eine weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, einen hochsensiblen
Feuchteindikator zur Verfügung zu stellen, bei dem die
entsprechenden Testergebnisse auf möglichst einfache Art und
Weise bestimmbar bzw. ablesbar sind. Der Feuchteindikator
sollte außerdem nach einem möglichst einfachen
Herstellungsverfahren erhältlich sein.
Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lösung der vorgenannten Aufgaben liegt
in der Bereitstellung eines Mehrschichtelementes zur
Verwendung als Feuchteindikator, wobei das Mehrschichtelement
eine Molybdän-haltige Schicht, eine Natrium-haltige
Indikatorschicht und ein Trägersubstrat umfaßt. Die Molybdän
haltige Schicht befindet sich in einer erfindungsgemäß
bevorzugten Ausführungsform zwischen Trägersubstrat und
Natrium-haltiger Indikatorschicht.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das
erfindungsgemäße Mehrschichtelement bzw. der Feuchteindikator
einen sehr empfindlichen Nachweis von Feuchte, beispielsweise
in verkapselten Dünnschicht-Bauelementen ermöglicht. Das
erfindungsgemäße Indikatorprinzip beruht darauf, daß in den
Indikator bzw. das Mehrschichtelement eindringende
Feuchtigkeit die Oxidation des Molybdäns bewirkt. Die
Molybdänoxide bilden insbesondere bei erhöhter Temperatur mit
dem in der Indikatorschicht enthaltenem Natrium farbige
Molybdänbronzen. Das erfindungsgemäße Indikatorsystem bietet
daher den Vorteil, daß eingedrungene bzw. eingetragene
Feuchtigkeit an dem erfindungsgemäß aufgebauten
Mehrschichtelement optisch problemlos erkennbar ist und
keiner aufwendigen Auswertungsmethoden bedarf.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Indikatorprinzips
besteht darin, daß man ein flächenaufgelöstes Ergebnis
erhält, d. h. daß die Diffusionswege der Feuchtigkeit
nachweisbar sind. An den Stellen, an denen beispielsweise
Feuchtigkeit durch die Verkapselung eindringt, verfärbt sich
das Mehrschichtelement bzw. der Feuchteindikator je nach
Feuchtemenge von silbergrau bis schwarz.
Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil ist darin zu
sehen, daß der Nachweis von Feuchte mit Hilfe der
Mehrschichtelemente gemäß der vorliegenden Erfindung in
wesentlich kürzerer Zeit erfolgt und eine deutliche
Zeitersparnis mit sich bringt, da die erfindungsgemäßen
Mehrschichtelemente um ein Vielfaches empfindlicher sind als
die bisher eingesetzten Testcoupons. Der erfindungsgemäße
Indikator reagiert somit wesentlich schneller auf Feuchte, so
daß ein entsprechendes Testverfahren bereits nach 5 bis 10
Tagen abgeschlossen ist. Wie bereits ausgeführt, beträgt die
Testdauer bei Verwendung der bisher bekannten Testcoupons ca.
42 Tage.
Wie bereits dargelegt, führen in Dünnschicht-Bauelementen,
wie z. B. CIS-Dünnschicht-Solarmodulen und CIGSeS-Dünnschicht-
Solarmodulen, bereits geringste Mengen an Feuchtigkeit zur
irreversiblen Degradation des Modulwirkungsgrades. Es ist
daher als besonders vorteilhaft anzusehen, daß es mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Mehrschichtelemente möglich ist, die
Feuchtigkeitspfade sichtbar zu machen bzw. nachzuweisen.
Insbesondere der Nachweis, an welcher Stelle des zu
untersuchenden Elements Feuchte eindringt, ist bei der
Beurteilung der verschiedenen Verkapselungsverfahren von
größter Bedeutung.
In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten
Ausführungsform weist die Natrium-haltige Indikatorschicht
eine Dicke im Bereich von 5 bis 100 nm, vorzugsweise im
Bereich von 20 bis 50 nm und besonders bevorzugt im Bereich
von 30 bis 40 nm auf. Es ist besonders bevorzugt, daß die
Natrium-haltige Indikatorschicht wenigstens 50 ng/cm2,
vorzugsweise wenigstens 100 ng/cm2, besonders bevorzugt
wenigstens 300 ng/cm2 und insbesondere bevorzugt zwischen 300
und 500 ng/cm2 Natrium enthält. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist das Natrium in der Natrium-haltigen
Indikatorschicht im wesentlichen homogen verteilt.
Die Natrium-haltige Indikatorschicht ist in Abwesenheit von
Feuchtigkeit, also beispielsweise unter Vakuum oder in
absolut trockener Umgebung, vorzugsweise im wesentlichen
transparent. Erst bei Anwesenheit geringster Mengen
Feuchtigkeit verfärbt sich die Schicht innerhalb von ca. 1
Minute rauchbeige und in den nachfolgenden 10 bis 15 Minuten
dann dunkelbraun bis blaugrau.
In einer weiteren erfindungsgemäß besonders bevorzugten
Ausführungsform weist die im Mehrschichtelement enthaltene
Molybdän-haltige Schicht eine Dicke im Bereich von 100 bis
2 000 nm, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 1 000 nm und
besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 700 nm auf.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Trägersubstrat ist in einer
bevorzugten Ausführungsform eine glatte oder strukturierte
Oberfläche, vorzugsweise ein Glassubstrat, mehr bevorzugt
eine Glasplatte und besonders bevorzugt eine sogenannte
Floatglasplatte, und/oder ein Minimodul bzw. Fertigmodul.
Minimodule im Sinne der vorliegenden Erfindung sind, wie
bereits oben ausgeführt, beispielsweise kleinere CIS-
Dünnfilm-Module. Das erfindungsgemäße Indikatorprinzip läßt
sich grundsätzlich aber auf jede beliebige Struktur bzw.
Oberfläche anwenden, welche mit einer transparenten
Laminierung oder Verkapselung versehen wird. Hierzu wird auf
das entsprechende Trägersubstrat die erfindungsgemäß
vorgesehene Molybdän-haltige Schicht und die Natrium-haltige
Indikatorschicht aufgebracht, das erhaltene
Mehrschichtelement laminiert bzw. verkapselt und anschließend
beispielsweise einem Damp Heat Test unterzogen.
Es ist bevorzugt, daß das Mehrschichtelement Kontaktbändchen,
sogenannte Busbars, aufweist, welche vorzugsweise an
gegenüberliegenden Enden des Elementes, besonders bevorzugt
parallel zu den Kanten des Elementes angebracht sind.
Vorgenannte Kontaktbändchen bestehen vorzugsweise aus
verzinntem Kupfer oder Aluminium. Je nach Material werden die
Busbars mit Ultraschall auf das Substrat aufgelötet und/oder
geschweißt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Mehrschichtelemente.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das
Verfahren folgende Schritte:
- a) Abscheiden der Molybdän-haltigen Schicht auf dem Trägersubstrat, vorzugsweise durch PVD-Abscheidung;
- b) gegebenenfalls Anbringen von Kontaktbändchen, vorzugsweise durch Anlöten oder Anschweißen; und
- c) Abscheiden der Natrium-haltigen Indikatorschicht auf der Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise durch PVD- Abscheidung.
Wie vorstehend ausgeführt, erfolgt das Aufbringen der
Molybdän-haltigen Schicht bzw. der Natrium-haltigen
Indikatorschicht durch "physical vapour deposition" (PVD).
Hierunter werden Vakuum-Beschichtungsverfahren zur
Herstellung dünner Schichten verstanden, bei denen das
Beschichtungsmaterial durch physikalische Methoden in die
Gasphase überführt wird, um dann auf dem Substrat
abgeschieden zu werden. Zu den gängigen PVD-Verfahren zählt
auch das erfindungsgemäß bevorzugte Zerstäuben bzw. Sputtern.
Beim Zerstäuben bzw. Sputtern wird ein Target, welches das
gewünschte Beschichtungsmaterial enthält, mit energiereichen
Edelgasionen beschossen. Häufig erfolgt die Abscheidung der
Schichten mit Hilfe eines Argonplasmas im Vakuum.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die Natrium-haltige
Indikatorschicht durch Sputtern eines Kupfer-haltigen
Natriumselenit-Targets (Cu-Na2SeO3-Target) abgeschieden. Das
zum Abscheiden der Indikatorschicht besonders bevorzugte
Target ist aus Kupferpulver mit 10 at% Na2SeO3-Anteil
herstellbar, indem ein homogenes Gemisch der beiden
Substanzen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur zu
einer Targetplatte verpreßt werden. Die nach dem Sputtern des
besonders bevorzugten Targets erhaltene Schicht ist unter
Vakuum oder in absolut trockener Umgebung transparent. Die so
erhaltene Schicht ist unter trockenen Bedingungen schwach
bräunlich gefärbt.
Alternativ zu dem beschriebenen Sputterverfahren, kann die
Aufbringung bzw. das Aufdampfen der Natriumschicht durch
Erwärmen eines Natrium-haltigen Pulvers erfolgen. Für die
Aufbringung der Na-Schicht wird vorzugsweise ein mit Na-
Pulver befülltes Keramikschiffchen auf die erforderliche
Verdampfungstemperatur erwärmt. Das verwendete Natriumpulver
wird vor dem Aufdampfungsprozeß vorzugsweise getrocknet. Als
besonders geeignet für dieses Verfahren hat sich wasserfreies
Na2SeO3-Pulver erwiesen. Die entsprechende Verdampfungs
temperatur bei Verwendung von Na2SeO3-Pulver beträgt 1150°C.
Aufgrund der hohen aufzuwendenden Verdampfungstemperaturen
ist das vorstehende Aufdampfungsverfahren nicht für alle
Anwendungen uneingeschränkt geeignet. Problematisch können
derart hohe Aufdampfungstemperaturen beispielsweise bei der
Untersuchung von strukturierten fertig prozessierten
Minimodulen sein. In diesem Fall ist das weiter oben
beschriebene Sputterverfahren besser geeignet.
Auch die Aufbringung der Molybdän-haltigen Schicht erfolgt
vorzugsweise durch Sputter-Technologie. Beispielsweise sind
auch die zur Herstellung von üblichen CIS-Modulen
hergestellten bzw. verwendeten Molydän-Rückelektroden für die
erfindungsgemäßen Zwecke geeignet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die
Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrschichtelementes zum
Nachweis von Feuchtigkeit, vorzugsweise zum Nachweis von bei
der Laminierung des Elementes eingetragener und/oder nach der
Laminierung bzw. Verkapselung eindringender Feuchte.
Vorzugsweise kann das Mehrschichtelement gemäß der
vorliegenden Erfindung auch zum Nachweis von Feuchtigkeit,
welche während des Damp-Heat-Tests in das entsprechende
Dünnschicht-Modul bzw. in die Verkapselung eindringt,
verwendet werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird
das Mehrschichtelement zur Bestimmung und/oder Verfolgung der
Feuchtigkeitspfade in einem laminierten bzw. verkapselten
Element verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Testmodul bereitgestellt, welches zum Nachweis von
Feuchtigkeit geeignet ist und ein erfindungsgemäßes
Mehrschichtelement sowie eine auf Feuchtigkeit zu
untersuchende Laminierung bzw. Verkapselung aufweist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist
ein Testmodul zur Verwendung im Damp-Heat-Test ein
erfindungsgemäßes Mehrschichtelement sowie eine zu
untersuchende Laminatschicht auf, welche auf die Natrium-
haltige Indikatorschicht auflaminiert ist und gegebenenfalls
ein über der Laminatschicht befindliches abschließendes
Trägersubstrat, vorzugsweise ein Glassubstrat. Das
beschriebene Testmodul bzw. Schichtpaket, welches
vorzugsweise auch sogenannte Busbars aufweist, eignet sich
besonders gut zur Bestimmung der Güte der Verkapselung mit
Hilfe des Damp-Heat-Tests.
Das erfindungsgemäße Indikatorprinzip läßt sich auch ohne
weiteres auf sogenannte Minimodule übertragen. Wie bereits
ausgeführt, erlaubt der erfindungsgemäße hochsensible
Feuchteindikator bzw. das Mehrschichtelement die Darstellung
der Diffusionswege der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen.
Zur Untersuchung der Feuchtigkeitspfade an Minimodulen wird
das fertig prozessierte Minimodul als Trägersubstrat
verwendet und gemäß dem oben beschriebenen Verfahren mit
einer Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise mit einer Dicke
im Bereich von 300 bis 400 nm, und anschließend mit einer
Natrium-haltige Indikatorschicht versehen.
Fertige Minimodule weisen üblicherweise sogenannte
Strukturierungslinien auf, um das hintereinander Verschalten
der Zellen eines Moduls zu realisieren. Die Strukturierung
der Minimodule erfolgt üblicherweise, indem die gesputterte
ZnO-Schicht mit einer Dick von ca. 1100-1500 nm komplett
aufgetrennt bzw. mit tiefen Strukturierungsgräben versehen
wird. Diese Strukturierungsgräben können als Kanal für
eventuell vorhandene und/oder durch das Laminierungsverfahren
eingetragene Feuchtigkeit wirken, wenn die Gräben nicht
vollständig mit dem Laminat ausgefüllt sind. Die
Strukturierungsgräben bewirken in diesem Fall die Diffusion
der Feuchtigkeit entlang der Strukturierung und führen zu
einer regelrechten Kapillarwirkung. Mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Feuchteindikators können solche
Diffusionswege der Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen
sichtbar gemacht werden und klar nachvollzogen werden. Die
flächenaufgelöste Darstellung der Diffusionswege der
Feuchtigkeit an fertigen Minimodulen erlaubt wichtige
Rückschlüsse auf die Verkapselung selbst bzw. das untersuchte
Verkapselungsverfahren.
Im Hinblick auf die Testresultate, wurde gefunden, daß ein
erfindungsgemäßes Mehrschichtelement bzw. ein Testmodul mit
einer guten Laminierung nach etwa 5 Tagen geringfügige
Verfärbungen ausschließlich am Rand des Elementes bzw. Moduls
aufweist. Dies kann als eindeutige Nachweis für eine gute
Laminierung bzw. ein geeignetes Verkapselungsverfahren
angesehen werden. Werden hingegen Verfärbungen entlang der
Busbars bzw. Kontaktbändchen oder an etwaigen Haarrissen
gefunden, ist die Laminierung als weniger geeignet anzusehen.
Das entsprechende Verkapselungsverfahren bietet somit keinen
absoluten Feuchtigkeitsschutz für die zu laminierenden
Dünnschicht-Bauelemente bzw. Solarmodule.
Nachfolgend ist beispielhaft die Herstellung eines
erfindungsgemäßen Mehrschichtelementes Testmoduls
beschrieben. Das nachfolgende Beispiel 1 ist jedoch nicht als
Einschränkung der Erfindung zu verstehen, sondern dienen der
Veranschaulichung.
Auf ein Floatglassubstrat (100 × 100 × 2 mm) wurde eine
metallisch glänzende Schicht aus 700 nm Molybdän
abgeschieden. Nachfolgend wurden Kontaktbändchen aus
verzinntem Kupfer, auch Busbars genannt, mit Ultraschall
an den äußeren gegenüberliegenden Rändern des Substrats
aufgelötet. Unter Verwendung eines Kupfer-Natriumselenit-
Targets wurde nachfolgend eine Natrium-haltige
Indikatorschicht durch Sputtern gleichmäßig auf dem
Molybdän abgeschieden. Die resultierte Schicht war in
Abwesenheit von Feuchtigkeit absolut transparent. Die
darunterliegende metallisch glänzende Molybdänschicht war
demzufolge sichtbar. Im Anschluß an die Aufbringung der
Indikatorschicht wurde das Schichtpaket unter
Feuchteausschluß mit einer Gegenscheibe laminiert.
Das gemäß Beispiel 1 hergestellte Testmodul wurde einem
üblichen Damp-Heat-Test unterzogen. Hierzu wurde das
verkapselte Modul einer relativen Luftfeuchtigkeit von
85% bei einer Temperatur von 85°C ausgesetzt. Nach 5
Tagen konnten bereits schwache Verfärbungen der
Indikatorschicht festgestellt werden. Nach 10 Tagen Damp-
Heat-Test waren die entsprechenden Verfärbungen schon
deutlich in der einlaminierten Schicht zu erkennen. Bei
den mit unterschiedlichen Laminierungen versehenen
Testmodulen wurden je nach Güte der Verkapselung bzw.
Laminierung Verfärbungen ausschließlich am Rand oder aber
entlang der Busbars oder an Haarrissen festgestellt.
Aussagekräftige Ergebnisse zur Qualität der Laminierung
bzw. zu den Diffusionswegen der Feuchte konnten bereits
nach wenigen Tagen erhalten werden.
Claims (16)
1. Mehrschichtelement zur Verwendung als Feuchteindikator,
dadurch gekennzeichnet, daß das Element
eine Molybdän-haltige Schicht, eine Natrium-haltige
Indikatorschicht und ein Trägersubstrat umfaßt.
2. Element gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Molybdän-haltige Schicht zwischen Trägersubstrat
und Natrium-haltiger Indikatorschicht befindet.
3. Element gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Natrium-haltige Indikatorschicht eine Dicke im
Bereich von 5 bis 100 nm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis
50 nm und besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 40 nm
aufweist.
4. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß die Natrium-haltige Indikatorschicht wenigstens 50 ng/cm2,
vorzugsweise wenigstens 100 ng/cm2, besonders
bevorzugt wenigstens 300 ng/cm2 und insbesondere bevorzugt
zwischen 300 und 500 ng/cm2 Natrium enthält.
5. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß das Natrium in der Natrium-haltigen Indikatorschicht im
wesentlichen homogen verteilt ist.
6. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß die Natrium-haltige Indikatorschicht in Abwesenheit von
Feuchtigkeit im wesentlichen transparent ist.
7. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß die Molybdän-haltige Schicht eine Dicke im Bereich von
100 bis 2000 nm, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 1000 nm
und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 700 nm
aufweist.
8. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägersubstrat eine glatte oder strukturierte
Oberfläche, vorzugsweise ein Glassubstrat, besonders
bevorzugt eine Floatglasplatte, und/oder ein Minimodul ist.
9. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element Kontaktbändchen aufweist, welche vorzugsweise
an gegenüberliegenden Enden des Elements, vorzugsweise
parallel zu den Kanten des Elements angebracht sind.
10. Element gemäß Anspruch 9
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktbändchen aus verzinntem Kupfer oder Aluminium
bestehen.
11. Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtelements gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 10
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaß:
- a) Abscheiden der Molybdän-haltigen Schicht auf dem Trägersubstrat, vorzugsweise durch PVD-Abscheidung;
- b) gegebenenfalls Anbringen von Kontaktbändchen, vorzugsweise durch Anlöten oder Anschweißen; und
- c) Abscheiden der Natrium-haltigen Indikatorschicht auf der Molybdän-haltigen Schicht, vorzugsweise durch PVD- Abscheidung.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Natrium-haltige Indikatorschicht durch Sputtern eines
Kupfer-haltigen Natriumselenit-Targets, vorzugsweise durch
Sputtern eines Targets, welches aus Kupferpulver und 10 at%
Na2SeO3 herstellbar ist, abgeschieden wird.
13. Verwendung des Mehrschichtelements gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 10 zum Nachweis von Feuchtigkeit,
vorzugsweise zum Nachweis von bei Laminierung des Elements
eingetragener und/oder nach der Laminierung eindringender
Feuchte.
14. Verwendung des Mehrschichtelements gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung und/oder Verfolgung der
Feuchtigkeitspfade in einem laminierten Element.
15. Testmodul zum Nachweis von Feuchtigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Modul ein Mehrschichtelement gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 10 und eine auf Feuchtigkeit zu untersuchende
Laminierung aufweist.
16. Testmodul zur Verwendung im Damp-Heat-Test,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Modul ein Mehrschichtelement gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 10, eine zu untersuchende Laminatschicht,
welche auf die Natrium-haltige Indikatorschicht auflaminiert
ist, und gegebenenfalls ein über der Laminatschicht
befindliches abschließendes Trägersubstrat, vorzugsweise ein
Glassubstrat aufweist.
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US5474939A (en) * | 1992-12-30 | 1995-12-12 | Siemens Solar Industries International | Method of making thin film heterojunction solar cell |
US6069313A (en) * | 1995-10-31 | 2000-05-30 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne | Battery of photovoltaic cells and process for manufacturing same |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP 52107037 A2 (abstract). CAPLUS [online] AN: 1978:52106. DN: 88:52106 * |
JP 550234961 (abstract). World Patent Index [online]. Derwent. In: STN Karlsruhe. AN: 1980- 24260 C * |
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