DE10137778A1 - Verfahren zur Kontaktierung von Dünnschicht-Elektroden - Google Patents

Verfahren zur Kontaktierung von Dünnschicht-Elektroden

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Abstract

Bei Dünnschicht-Bauelementen, insbesondere Dünnschicht-Solarmodulen, werden leitende Schichten (4) erfindungsgemäß mit einem Metallband (5) mittels Ultraschweißen kontaktiert. Dazu wird eine Sonotrode (6) auf das auf die leitende Schicht (4) aufgelegte Metallband (5) mit einer Anpresskraft (F) aufgesetzt. Im Anschluss wird die Sonotrode (6) in Schwingung versetzt und die leitende Schicht (4) mit dem Metallband (5) verschweißt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung von metallischen oder transparenten Dünnschicht-Elektroden und die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Dünnschicht-Bauelemente aus Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Keramiksubstraten müssen in vielen Anwendungsfällen nach aussen zu Zwecken der Ansteuerung und/oder Stromzu- bzw. - ableitung kontaktiert werden. Beispielsweise müssen bei Dünnschicht-Solarmodulen die beiden am Ende liegenden Zellen einer Serienschaltung kontaktiert werden, um so den von dem Solarmodul erzeugten Strom abzuführen. Hierzu wird ein Metallband auf eine leitende Schicht aufgebracht, die zum Beispiel eine metallische Rückelektrode, bestehend aus z. B. Molybdän, die aber auch eine transparente Dünnschicht- Elektrode aus dotiertem Zink-, Zinn- oder Indium-Zinnoxid sein kann. Der Einsatz einer Molybdänelektrode erfolgt in erster Linie bei sogenannten CIS-Solarzellen. Transparente Elektroden finden vielfachen Gebrauch nicht nur in verschiedenen Solarzellen, sondern auch in Flachbildschirmen, elektrochromen oder heizbaren Fenstern, z. B. im Automobilbereich.
  • In Fig. 3a ist beispielhaft ein Dünnschicht-Solarmodul gezeigt, das im wesentlichen aus einem Substrat 10, den darauf aufgebrachten strukturierten Schichten 11, einer aus einem Einbettungsmaterial bestehenden Schicht 12 und einer Schicht 13 aus auflaminiertem Fensterglas zum Schutz von Umwelteinflüssen besteht. Um Kriechströme zu den stromführenden Schichten und eine Feuchte-Degradation der Schichten zu vermeiden, darf der Randbereich 14 des Moduls keine elektrisch leitenden, korrodierenden oder die hermetische Versiegelung gefährdenden Beschichtungsreste enthalten.
  • In Fig. 3b ist ein Dünnschichtsolarmodul in der sogenannten Substratkonfiguration gezeigt, bei der sich die Schichtfolge in Substrat 21, Rückelektrode 22, Absorberschicht 23, Frontelektrode 24, Laminat 25 und Frontglas 26 aufgliedert. Die genannte Reihenfolge entspricht der zeitlichen Abfolge bei der Schichtabscheidung auf dem Substrat 21. Zur Vereinfachung ist in diesem Beispiel ein Solarmodul mit nur einer Zelle dargestellt. Zur Kontaktierung der Rückelektrode werden die darüber liegenden Schichten selektiv entfernt, so dass die freigelegten Bereiche z. B. mit Metallbändern kontaktiert werden können.
  • Ein weiteres Beispiel für Dünnschicht-Kontaktierungen ist in Fig. 3c gezeigt und stammt aus dem Bereich elektrochromer Fenster. Zwei Glassubstrate 31 und 32 sind je mit einer transparenten Elektrodenschicht 33 und 34, zum Beispiel aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) versehen. Zwischen den beiden Elektrodenschichten befindet sich die aktive Zone, z. B. bestehend aus einer Metalloxidschicht 35, einer transparenten Festkörperelektrolytschicht 36 und einer Ionenreservoir- Schicht 37. Die optische Transmisson der aktiven Zone lässt sich durch Anlegen einer Spannung und der daraus resultierenden Ionenwanderung beeinflussen. Bei dem in Fig. 3c gezeigten Ausführungsbeispiel basiert die Transmissionsänderung auf dem elektrochromen Effekt in zum Beispiel MoO3 oder WO3-Dünnschichten.
  • Für Dünnschicht-Bauelemente der oben beschriebenen Art wird Langzeitstabilität gefordert; insbesondere ist die Stabilität aller Kontakte unter Bedingungen starker Temperaturwechselbelastung und/oder Feuchte sicherzustellen. Dazu existieren internationale Qualitätstests, die für Solarmodule z. B. in der Norm IEC 1646 beschrieben sind. Erfahrungsgemäß ist besonders der in IEC 1646 enthaltende Damp-Heat-Test (Belastung über 1000 Stunden bei 85°C/85% R. F.) kritisch und für jeden neuen Prozesschritt zu prüfen.
  • Bei bisherigen Verfahren wurden Elektrodenschichten in Dünnschicht-Modulen kontaktiert, indem nach dem Freilegen der leitenden Schicht in einem 2-Stufen-Prozess zunächst eine Lötspur auf der freigelegten Oberfläche der Elektrodenschicht aufgebracht wurde und danach Metallbänder konventionell auf der Lötspur aufgelötet wurden. Bei diesem Vorgehen ist nachteilig, dass nachfolgende Prozesschritte, beispielsweise das Verkapseln des Bauteils, durch die Schmelztemperatur des Lots auf Werte um ca. 200°C begrenzt sind. Ferner ist ein 2- Stufen-Prozess aufwendig und teuer; eine Automatisierung des Prozesses ist schwierig. Ferner wurde festgestellt, dass unter Feuchte die Oberflächen der Kontakte sichtbar oxidieren, so dass die Kontaktwiderstände deutlich ansteigen. Überdies besteht ein Problem hinsichtlich des zu verwendenden Lots, da gut haftende Lote schwermetallhaltig sind.
  • Als Alternative werden Kontaktierverfahren eingesetzt, bei dem leitfähige Klebstoffe zur Fixierung der Metallbänder eingesetzt werden. Die Langszeitstabilität unter den oben erwähnten Klimatestbedingungen ist jedoch mangelhaft.
  • Aus dem Bereich der Si-Solarzellen mit kristallinem Silizium ist bekannt auf eine auf gedruckte Silber-Elektrode ein Metallband aufzubringen und mittels Ultraschallschweißen zu befestigen, wie sich aus US 3.620.847 und US 4.975.133 ergibt. Der Aufbau und die Herstellungsverfahren für Si- Solarzellen und Solar-Module bieten jedoch andere Voraussetzungen für die Anwendung der Technik des Ultraschallschweißens, insbesondere deshalb, weil die Kontaktierung mit Silber-Elektroden erfolgt, deren Aufbau und Oberflächenbeschaffenheit in der Regel sehr viel einfacher zu handhaben ist und für die Ultraschall-Verschweißung vorbereitet werden kann. Bei Dünnschicht-Solarmodulen, insbesondere CIS-Solarmodulen sind diese Möglichkeiten der Herstellung und Ausgestaltung der zu kontaktierenden Elektroden und Oberflächen nicht gegeben. Aus diesem Grund wurde die Technik des Ultraschweißens für Dünnschicht- Solarmodule nie in Betracht gezogen oder diskutiert.
  • Durch die Erfindung wird dieser Weg zum ersten Mal beschritten und die Bedingungen aufgezeigt, unter denen eine Kontaktierung von Dünnschicht-Elektronenschichten mittels Ultraschweißens unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile aus dem Stand der Technik erfolgreich durchführbar ist.
  • Der Erfindung ist im Patentanspruch 1 und den Unteransprüchen beschrieben.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert, in denen zeigt:
  • Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines Kontaktierungsvorgangs gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3a den schematischen Aufbau eines Dünnschicht- Solarmoduls;
  • Fig. 3b den Querschnitt durch ein Dünnschicht-Solarmodul im sogenannten Substrataufbau (zur Vereinfachung nur mit einer Zelle) mit Schichtfolge und Kontaktierung (nicht maßstabsgerecht);
  • Fig. 3c einen Querschnitt durch ein Dünnschicht-Modul aus dem Bereich elektrochromer Fenster.
  • In Fig. 1 ist eine Haltevorrichtung 1 für Dünnschicht-Module, beispielsweise ein Vakuum-Spanntisch gezeigt, auf dem ein Dünnschicht-Modul 2 angeordnet ist, z. B. die in Fig. 3b gezeigte Dünnschicht-CIS-Solarzelle. Ferner ist in Fig. 1 ein Substrat 3 (Glas- oder Keramikplatte, Metall- oder Kunststofffolie) gezeigt, auf dem direkt oder indirekt verschiedene Schichten des Dünnschicht-Moduls angeordnet sind. In Fig. 1 ist nur die leitende Schicht 4 mit einer Dicke von typischerweise 50 bis 5000 nm gezeigt, die eine zu kontaktierende Elektrodenschicht o. ä. repräsentiert und die erfindungsgemäß freigelegt wurde, da diese Schicht regelmäßig bei den hier in Rede stehenden Dünnschicht-Modulen von einer oder mehreren Schichten überlagert ist, wie im Zusammenhang mit der Fix 3b bis 3c erläutert wurde. Ein Metallband 5, beispielsweise ein Al-Band, ist auf der Elektrodenschicht 4 angeordnet. Oberhalb des Metallbands 5 zeigt Fig. 1 eine Sonotrode 6, beispielsweise eine massive Stahlsonotrode oder eine Bondkeilsonotrode. Beispiele für die zu kontaktierenden Elektrodenschichten sind Dünnschichten aus Molybdän, Zinn-, Zink- oder Indium-Zinnoxid, die in Solarzellen mit Absorbern aus Chalkopyrit-Halbleitern (z. B. CuInSe2), amorphem Silizium, CdTe, aber auch bei farbstoffsensibilisierten Solarzellen in LCD-Displays, elektrochromen Fenstern und beheizbaren Fensterscheiben Verwendung finden. Durch die Erfindung wurde nachgewiesen, dass die Oberflächenbeschaffenheit der zu kontaktierenden Bereiche 4 wider Erwarten nicht höchsten Anforderungen gerecht werden muss, sondern dass mit vergleichsweise geringem und deshalb wirtschaftlich vertretbarem Aufwand eine Freilegung erreicht werden kann, die, insbesondere bei der Verwendung von Al- oder Al/Cu-Metallbändern nicht nur ausreichende sondern auch unerwartet gute Kontaktierungsergebnisse liefern.
  • Die Ultraschall-Sonotrode 6 setzt auf dem über der Elektrodenschicht 4 liegenden Aluminiumband 5 mit definierter Kraft K auf. Unter Einwirkung der Schweißkraft K wird die Sonotrode entlang ihrer Längsachse in der in Fig. 1 gezeigten Richtung A in Schwingung versetzt. Durch die definierte Rauheit der Sonotroden-Arbeitsoberflächen 7 ist die Übertragung der Schwingung in das Metallband 5 derart möglich, dass zwischen dem fixierten Dünnschichtmodul 2 und dem Metallband 5, genauer zwischen der Elektrodenschicht 4 und dem Metallband 5, eine Relativbewegung auftritt, durch die Oxidschichten entfernt werden und die beiden Teile 4 und 5 schließlich miteinander verschweißt werden.
  • Durch die aufgrund der Erfindung veranlassten Untersuchungen des Ultraschallschweißens bei der Kontaktierung von leitenden Schichten in Dünnschicht-Modulen, insbesondere CIS- Solarmodulen, wurde festgestellt, dass ein Verfahren, das eine technisch sehr gute Kontaktierungsqualität erzielt, wirtschaftlich durchgeführt werden kann, wenn für die Auflagekraft F, die Schwingfrequenz f und die Amplitude d der eingesetzten Sonotrode, die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte eingehalten werden. In der ersten Zeile der Tabelle ist dabei der im Rahmen der Erfindung technisch mögliche und in der zweiten Zeile der erfindungsgemäß bevorzugte Bereich angegeben. Tabelle 1

  • Diese Werte gelten für Ultraschall-Generatoren mit einer Leistung ab ca. 300 Watt und können verwendet werden bis zu einer Leistung von ca. 1000 Watt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Ultraschallgeneratoren mit höherer Leistung nicht unbedingt zu bevorzugen sind, da nur ca. 10 bis 20% der Energie an der Schweißstelle wirkt und festgestellt wurde, dass insbesondere das Einschwingverhalten zu Beginn des Schweißvorgangs in Verbindung mit der Aufbringung der Auflagekraft eine besondere Rolle bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens spielt.
  • Vorteilhaft wird deshalb das erfindungsgemäße Ultraschall- Schweißen durchgeführt, indem zunächst die Sonotrode auf die Kontaktstelle aufgesetzt und solange gewartet wird, bis die vorgegebene Auflagekraft F sicher erreicht ist, wie im Zeitraum T1 des Diagramms gemäß Fig. 2 gezeigt ist. Die hier in Rede stehenden Zeiträume sind ausreichend kurz, als dass eine Überwachung der tatsächlich aufgebrachte Kraft F und ein Fortführen des Verfahrens bei Überschreiten eines Schwellwerts erforderlich ist. Selbstverständlich kann aber auch die aufgebrachte Kraft gemessen werden und bei Erreichen eines Schwellwerts das Verfahren fortgesetzt, d. h. die Sonotrode in Schwingung versetzt werden. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird aber der Zeitraum T1 so festgesetzt, dass ohne weitere Überwachung der tatsächlichen Kraft davon ausgegangen werden kann, dass die Sollkraft Fsoll erreicht ist.
  • Nach Ablauf der Zeitspanne T1 wird dann die Sonotrode in Schwingungen versetzt und schwingt für den Zeitraum T2, wobei wiederum allein auf die Zeit abgetellt wird, um die Dauer des Schwingens und damit die in die Schweißstelle eingebrachte Energie festzulegen. Für die Kontaktierung von Dünnschicht- Modulen ist eine Steuerung des Verfahrens in dieser Weise sowohl bezüglich des Zeitraums T1 als auch bezüglich des Zeitraums T2 ohne weiteres möglich. Jedoch kann der Zeitruam T2 auch variabel gestaltet sein, wenn die eingebrachte Energie gemessen wird, die sich über die einzelnen Schwingbewegungen der Sonotrode bestimmen lässt.
  • Die erfindungsgemäße Untersuchung des Ultraschallschweißens zur Kontaktierung von Dünnschicht-Modul-Elektrodenschichten hat ferner ergeben, dass vorteilhaft eine Sonotrode mit definierter insbesondere regelmäßiger Oberflächenstruktur verwendet wird. Insbesondere der Einsatz einer Sonotrode mit regelmäßiger und unregelmäßiger Pyramiden-Strukturierung, bei der die Pyramiden-Spitzen ca. 0,05 bis 0,15 mm beabstandet sind, hat sich als besonders geeignet herausgestellt.
  • Die erfindungsgemäß aufzubringenden Metallbänder sind vorzugsweise Al-Metallbänder, die insbesondere bei der Kontaktierung von ZnO- und Molybdän-Elektrodenschichten gute Ergebnisse erzielen. Die Oberfläche der Metallbänder kann mit einer Anti-Haft-Beschichtung versehen sein, die verhindert, dass das Metallband an der Oberfläche der Sonotrode dauerhaft anhaftet. Die Anti-Haft-Beschichtung kann bei Al- Metallbändern durch eine Aluminiumoxid-Schicht erreicht werden. Ebenfalls geeignet ist der Einsatz eines Al/Cu- Metallbandes, bei dem ein Al-Metallband und ein Cu-Metallband übereinandergelegt und miteinander verbunden (gewalzt) sind. Die Sonotrode berührt dann die Cu-Seite des Al/Cu-Bandes, so dass das Anhaften an der Sonotroden-Oberfläche deutlich verringert ist, während die Al-Seite des Bandes der Molybdän- Elektrode gegenüberliegt und für eine entsprechend gute Kontaktierung sorgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass damit ein einstufiger Prozess realisiert werden kann, was zu kurzen Taktzeiten bei der Kontaktierung von Elektrodenschichten in Dünnschichtmodulen führt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich zwischen der Elektrodenschicht und dem Metallband eine metallische Verbindung ohne Zusatzmaterial. Die Verbindung ist temperaturunempfindlich, so dass keine Einschränkung nachgelagerter Prozessschritte erfolgt. Auch in feuchtwarmer Umgebung ist kein Ansteigen der Kontaktwiderstände feststellbar. Schließlich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbindung erzielt, die hohe Abzugskräfte aufweist.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kontakts zwischen einer leitenden Schicht (4) eines Dünnschicht-Bauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Solarmoduls und einem Metallband (5) mit den Schritten:
- Freilegen einer Oberfläche der leitenden Schicht (4) des Dünnschicht-Bauelements;
- Auflegen des Metallbandes (5) auf die freigelegte Oberfläche der leitenden Schicht (4); und
- Ultraschallschweißen der leitenden Schicht (4) und des Metallbandes (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ultraschallschweißens die folgenden Schritte umfasst:
- Aufsetzen einer Sonotrode (6) mit einer bestimmten Kraft (F);
- Bewegen der Sonotrode (6) mit einer vorbestimmten Amplitude (d) und einer vorbestimmten Frequenz (f); und
- Abheben der Sonotrode (6).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F) im Bereich von 30 bis 600 N, vorzugsweise 180 bis 300 N liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingfrequenz (f) im Bereich von 10 bis 80 kHz, vorzugsweise 35 bis 41,5 kHz liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Schwingung im Bereich von 3 bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 µm liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bewegens der Sonotrode (6) für einen vorbestimmten Zeitraum (T2) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Zeitraum (T2) der Bewegung der Sonotrode (6) im Bereich von 0,5 bis 2 s, vorzugsweise 0,75 bis 1,25 s liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband ein Al-Band oder ein Al/Cu-Band ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht eine Molybdän-Schicht oder eine Zinn-, Zink- oder Indium-Zinnoxid-Schicht ist.
10. Dünnschicht-Bauelement, insbesondere Dünnschicht- Solarmodul mit zumindest einer leitenden Schicht (4) und einem Metallband (5), das mit der leitenden Schicht (4) zumindest punktweise ultraschall-verschweißt ist.
11. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht eine Elektrodenschicht (4) des Dünnschicht-Bauelements ist.
12. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (4) aus Molybdän, aus dotiertem Zink-, Zinn- oder Indium-Zinnoxid besteht.
13. Dünnschicht-Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (5) ein Al-Band oder ein Al/Cu-Band ist.
14. Verwendung einer Ultraschall-Schweißvorrichtung (1, 6) zum Ultraschall-Schweißen einer leitenden Schicht (4) eines Dünnschicht-Bauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Solarmoduls und eines Metallbands (5).
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (4) aus Molybdän, aus dotiertem Zinn-, Zink- oder Indium-Zinnoxid besteht.
16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (5) ein Al-Band oder ein Al/Cu-Band ist.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (6) der Ultraschall-Schweissvorrichtung eine pyramiden-strukturierte Arbeitsoberfläche (7) aufweist.
18. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyramiden der pyramiden-strukturierten Arbeitsoberfläche (7) von einander zwischen 0,35 und 0,15 mm (Spitze-Spitze) beabstandet sind.
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