DE102010024521A1 - Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats, bei dem auf der Lichtaustrittsseite mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck unter Verwendung einer Flamme oder eines Plasmas eine Streuschicht abgeschieden wird, die entweder Zinkoxid und Aluminium und/oder Aluminiumoxid, insbesondere aluminiumdotiertes Zinkoxid oder Siliziumoxid enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats.
  • Photovoltaikmodule, insbesondere Dünnschichtmodule, umfassen eine photoaktive Schicht, die unter einer Schutzscheibe angeordnet ist. Auf der Lichtaustrittsseite der Schutzscheibe, also der photoaktiven Schicht zugewandt, ist eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO – transparent conductive oxide) vorgesehen, die der photoaktiven Schicht als Elektrode dient. Für einen hohen Wirkungsgrad des Photovoltaikmoduls soll möglichst viel Licht in die photoaktive Schicht eingekoppelt werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Streuung auf der Lichtaustrittsseite erhöht wird, so dass weniger Licht reflektiert wird. Die Erhöhung der Streuung kann beispielsweise durch Ätzen, Strahlen oder Beschichten erreicht werden. Eine Möglichkeit ist die Strukturierung der TCO-Schicht. Hierzu wird die TCO-Schicht in einer Stärke von bis zu 1 μm aufgebracht und anschließend um bis zu 50% wieder zurückgeätzt. Dadurch entsteht, abhängig von der Kristallstruktur der TCO-Schicht, eine raue Oberfläche, die das aus der Schutzscheibe austretende Licht streut und somit die Reflexion vermindert. Infolgedessen erhöht sich die Transluzenz der Schutzscheibe, das heißt die Menge des auf die photoaktive Schicht auftreffenden Lichts.
  • TCO-Schichten für die Photovoltaik werden meist durch Sputtern im Vakuum auf die Glasoberflächen gebracht. Die Herstellung der Schichten muss unter optimalen Bedingungen stattfinden, da sowohl eine maximale Transluzenz als auch eine maximale elektrische Leitfähigkeit angestrebt werden. Daher handelt es sich um einen kosten- und zeitintensiven Arbeitsschritt. Die Ätzraten sind stark von den Abscheidebedingungen der Schicht abhängig und variieren daher beträchtlich. Daraus resultierende Fehlätzungen stellen ein großes technisches Problem dar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats, insbesondere eines transluzenten oder transparenten Substrats, wird auf einer Lichtaustrittsseite des Substrats mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck unter Verwendung einer Flamme oder eines Plasmas eine Streuschicht abgeschieden, die entweder Zinkoxid und Aluminium und/oder Aluminiumoxid, insbesondere aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) oder Siliziumoxid, beispielsweise Siliziumdioxid enthält. Bei Abscheidung aus der Flamme (Pyrosil-Verfahren) wird mindestens ein Precursor der Flamme zugeführt und in der Flamme zur Reaktion gebracht. Mindestens eines der Reaktionsprodukte des Precursors wird dann als Streuschicht auf der Lichtaustrittsseite des Substrats abgeschieden. Bei Plasma unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung wird mindestens ein Precursor dem Plasma oder einem Arbeitsgas, aus dem das Plasma erzeugt wird, zugeführt und im Plasma zur Reaktion gebracht. Mindestens eines der Reaktionsprodukte des Precursors wird dann als Streuschicht auf der Lichtaustrittsseite des Substrats abgeschieden.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschiedenen Streuschichten weisen bedingt durch die gewählten Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung die gewünschte raue Oberflächenstruktur auf und erhöhen so den Streulichtanteil.
  • Im Falle der Zinkoxid und Aluminium und/oder Aluminiumoxid enthaltenden Streuschicht (ZnO:Al) weist die Streuschicht selbst die Eigenschaften einer transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO) auf, so dass sie im direkten Kontakt mit einer photoaktiven Schicht eines Photovoltaikmoduls, insbesondere eines Dünnschichtmoduls, verwendet werden kann. Zur Erzeugung der Streuschicht werden Zink und Aluminium enthaltende Precursoren verwendet.
  • Im Falle der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht kann die nachfolgende TCO-Schicht in relativ geringer Stärke auf die Streuschicht aufgebracht werden. Die TCO-Schicht bildet an ihrer Oberfläche dabei im Wesentlichen die raue Oberfläche der Streuschicht nach. Zur Erzeugung der Streuschicht werden siliziumhaltige Precursoren verwendet, beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMDSO).
  • Gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen ein großer Teil der aufgebrachten TCO-Schicht nasschemisch (Rückätzen) wieder entfernt werden muss, ist der Aufwand beim erfindungsgemäßen Verfahren erheblich geringer und damit kostengünstiger, da nur soviel TCO wie unbedingt erforderlich aufgebracht werden muss. Dies verringert die Herstellungskosten der Photovoltaikmodule.
  • Atmosphärendruckplasmaverfahren erfordern einen wesentlich geringeren technischen Aufwand, da eine Behandlung der zu beschichtenden Oberfläche im Vakuum entfällt. Beim Atmosphärendruckplasmaverfahren bilden sich die Partikel im Plasmastrom. Die Größe der Agglomerate aus diesen Partikeln und somit wesentliche Eigenschaften der Beschichtung lassen sich unter anderem durch den Abstand der Plasmaquelle von der Oberfläche einstellen. Die Homogenität der abgeschiedenen Schichten ist mit den durch Beflammung erzielten vergleichbar, der erforderliche Energieeintrag ist jedoch wesentlich geringer. Alternativ kann das Verfahren auch bei leicht reduziertem Atmosphärendruck durchgeführt werden.
  • Durch die Abscheidung unter Atmosphärenbedingungen entfallen sowohl die Kosten für die Vakuumerzeugung als auch ein Teil der Energiekosten. Das Verfahren ist mit einer vergleichsweise einfachen und dementsprechend kostengünstigen Anlagentechnik realisierbar.
  • Darüber hinaus erfolgt mit dem Atmosphärendruckverfahren bei der Abscheidung die Strukturierung der Streuschicht. Dies ist beim Einsatz von Vakuumverfahren nicht im gewünschten Ausmaß möglich.
  • Die Streuschicht kann auf jeder Art optischer Substrate, insbesondere transparenter oder transluzenter Substrate, jedoch auch auf opake Substrate aufgebracht werden, bei denen Licht gestreut werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Anpassung der Barriereeigenschaften, der Streuwirkung und des Brechungsindexes, so dass die Effizienz der Photovoltaikmodule verbessert wird. Die Barrierewirkung verhindert oder erschwert die Diffusion von Ionen aus dem Substrat oder aus der Streuschicht. Als Substrat kommen beispielsweise Glas oder transparente Kunststoffe in Frage. Bei transparenten Kunststoffen kann die Barrierewirkung die Diffusion von Additiven verhindern, so dass einer Versprödung vorgebeugt wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann auf der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht eine weitere Streuschicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens abgeschieden werden.
  • Bei der Sol-Gel-Beschichtung wird ein Precursor in einem Lösungsmittel gelöst und mit einem Katalysator, beispielsweise einer Säure, versetzt. Dieses Sol wird auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht und getrocknet, so dass die Vernetzung beginnt. Das resultierende Netzwerk wird als Gel bezeichnet. Nach der Trocknung kann eine Temperierung der Schicht, beispielsweise bei einer Temperatur von mindestens 150°C (vorzugsweise mindestens 300°C), erfolgen, wobei die Schicht vollständig vernetzt. Die so hergestellte Schicht ist mechanisch stabil.
  • Die mittels der chemischen Gasphasenabscheidung erzeugte Streuschicht bietet durch ihre raue Oberfläche und ihre Oberflächenzusammensetzung mit einer hohen Dichte an OH-Gruppen eine gute Haftgrundlage für die Sol-Gel-Streuschicht. Die Sol-Gel-Streuschicht kann durch eine entsprechend raue Oberflächenstruktur eine weitere Verbesserung der Streuung bewirken. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt eine Streuschicht mit einer Stärke von etwa 200 nm aus der Flamme abgeschieden werden. Anschließend wird auf dieser Streuschicht eine Sol-Gel-Streuschicht mit einer Stärke von etwa 100 nm abgeschieden.
  • Auch auf der Sol-Gel-Streuschicht kann eine transparente leitfähige Oxidschicht zur Verwendung als Elektrode in einem Photovoltaikmodul, insbesondere einem Dünnschichtmodul, abgeschieden werden.
  • Eine Abscheidung der Streuschicht ausschließlich mittels des Sol-Gel-Verfahrens ist ebenfalls möglich.
  • Die transparente leitfähige Oxidschicht kann mittels eines beliebigen Verfahrens, vorzugsweise jedoch mittels Sputtern, abgeschieden werden. Beispielsweise kann zunächst eine Streuschicht aus Siliziumoxid mittels Flamme oder Plasma bei Atmosphärendruck abgeschieden werden. Anschließend wird eine Zinkoxid und Aluminium enthaltende TCO-Schicht mittels Sputtern abgeschieden. Sputtern ist besonders geeignet zur Abscheidung auf großen Substraten. Da Sputtern im Vakuum durchgeführt wird, ist eine besonders gute Homogenität der abgeschiedenen Schichten erzielbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden dem bei der Abscheidung einer der Streuschichten verwendeten Precursor Nanopartikel zugesetzt, die in der Streuschicht abgeschieden werden. Auf diese Weise kann die Streuung zusätzlich verbessert werden. Ebenso kann die Leitfähigkeit durch die Nanopartikel verbessert werden.
  • Vorzugsweise wird die Streuschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 200 nm abgeschieden. Dies ermöglicht eine gewünschte Rauheit von 40 nm bis 60 nm.
  • Die Abscheidung der Streuschicht erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 20°C bis 350°C. Bei einer Abscheidung der Streuschicht aus der Flamme wird das Substrat stark erhitzt. Eine zusätzliche Erwärmung des Substrats für nachfolgende Beschichtungsvorgänge, beispielsweise die Abscheidung der TCO-Schicht, ist so nicht erforderlich. Somit kann ein Prozessschritt entfallen und das Verfahren beschleunigt werden.
  • Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitete Substrat wird bevorzugt zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, insbesondere einer Dünnschicht-Photovoltaikzelle, verwendet, wobei eine photoaktive Schicht der Photovoltaikzelle im Kontakt entweder mit der Zinkoxid und Aluminium enthaltenden Streuschicht oder mit der transparenten leitfähigen Oxidschicht angeordnet wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
  • Als Substrat wurde eine Floatglasscheibe üblicher Stärke bereitgestellt und gereinigt. Anschließend erfolgte eine Beflammung einer Lichtaustrittsseite des Substrats mit folgenden Parameter: Einem Bandbrenner mit einer Breite von 1,30 m wurden Propan (20 l/min bis 200 l/min, vorzugsweise 20 l/min bis 100 l/min) als Brenngas und Luft (500 l/min bis 1500 l/min, vorzugsweise 500 l/min bis 1000 l/min) in einem Gemisch zugeführt. Diesem Brenngas-Luft-Gemisch wurde ein flüssiges Precursorgemisch, bestehend aus HMDSO (Hexamethyldisiloxan) und einem Lösungsmittel in einem Volumenverhältnis im Bereich von 10:90 bis 90:10, vorzugsweise 20:80 bis 50:50 mit einer Flussleistung im Bereich von 1 ml/min bis 10 ml/min über eine Düse zugeführt. Dabei wurden alle Bestandteile homogen vermischt und gelangten gasförmig in den Brenner und damit in die Flamme.
  • Das Substrat wurde bei Atmosphärendruck mit einer Konstantgeschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 100 mm/s, vorzugsweise 10 mm/s bis 30 mm/s in einem Abstand zwischen 5 mm und 40 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm unter dem Brenner mit einer nach unten gerichteten Flamme insgesamt viermal hindurchbewegt, wobei zu Beginn des Beschichtungsprozesses die Temperatur der Glassubstrate der Umgebungstemperatur von etwa 25°C entsprach.
  • Eine auf diese Weise abgeschiedene Streuschicht enthält Siliziumoxid (SiOx) und weist eine Dicke von 324 nm und eine Rauigkeit von 29 nm (Ra) auf.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde ein Schlitzbrenner der Breite 1,30 m verwendet, dem in analoger Weise wie dem Bandbrenner das Brenngas-Luft-Precursor-Gemisch zugeführt wurde. Es wurden 3 l/min bis 100 l/min, vorzugsweise 3 l/min bis 30 l/min Propan und 100 l/min bis 500 l/min, vorzugsweise 200 l/min bis 300 l/min Luft sowie 0,1 ml/min bis 1,0 ml/min des Precursorgemischs (HMDSO und ein Lösungsmittel im Volumenverhältnis 10:90 bis 90:10, vorzugsweise 20:80 bis 50:50) verwendet. Die Glassubstrate wurden mit 10 mm/s bis 100 mm/s, vorzugsweise 10 mm/s bis 30 mm/s in einem Abstand zwischen 2 mm und 25 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 10 mm insgesamt zwanzigmal unter dem Brenner mit einer nach unten gerichteten Flamme hindurchgefahren. Zu Beginn des Beschichtungsprozesses entsprach die Temperatur der Glassubstrate der Umgebungstemperatur von etwa 25°C.
  • Die auf diese Weise abgeschiedene Streuschicht enthält Siliziumoxid (SiOx) und weist eine Dicke von 370 nm und eine Rauigkeit von 40 nm (Ra) auf.
  • Auf der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht kann eine transparente leitfähige Schicht in relativ geringer Stärke aufgebracht werden.
  • Statt der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht kann auch eine Zinkoxid und Aluminium enthaltende Streuschicht abgeschieden werden, die gleichzeitig die Eigenschaften einer TCO-Schicht aufweist.
  • Alternativ zur Beflammung kann die Abscheidung der Streuschicht mittels Plasma unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck erfolgen.
  • Die Streuschicht kann auch auf andere Arten von Substraten aufgebracht werden, bei denen Licht gestreut werden soll. Als Substrat kommen beispielsweise Glas oder transparente Kunststoffe in Frage.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann auf der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht eine weitere Streuschicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens abgeschieden werden.
  • Auch auf der Sol-Gel-Streuschicht kann eine transparente leitfähige Oxidschicht zur Verwendung als Elektrode in einem Photovoltaikmodul, insbesondere einem Dünnschichtmodul, abgeschieden werden.
  • Eine Abscheidung der Streuschicht ausschließlich mittels des Sol-Gel-Verfahrens ist ebenfalls möglich.
  • Die transparente leitfähige Oxidschicht kann mittels eines beliebigen Verfahrens, vorzugsweise jedoch mittels Sputtern, abgeschieden werden.
  • Der bei der Abscheidung einer der Streuschichten verwendete Precursor kann Nanopartikel enthalten, die in die Streuschicht eingebunden werden.
  • Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitete Substrat wird bevorzugt zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, insbesondere einer Dünnschicht-Photovoltaikzelle verwendet, wobei eine photoaktive Schicht der Photovoltaikzelle im Kontakt entweder mit der Zinkoxid und Aluminium enthaltenden Streuschicht oder mit der transparenten leitfähigen Oxidschicht angeordnet wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Transluzenz eines Substrats, bei dem auf einer Lichtaustrittsseite des Substrats mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck unter Verwendung einer Flamme oder eines Plasmas eine Streuschicht abgeschieden wird, die entweder aluminiumdotiertes Zinkoxid oder Siliziumoxid enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht eine weitere Streuschicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens abgeschieden wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Siliziumoxid enthaltenden Streuschicht oder auf der mittels des Sol-Gel-Verfahrens abgeschiedenen Streuschicht in einem weiteren Schritt eine transparente leitfähige Oxidschicht abgeschieden wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente leitfähige Oxidschicht mittels Sputtern abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem bei der Abscheidung einer der Streuschichten verwendeten Precursor Nanopartikel zugesetzt werden, die in der Streuschicht abgeschieden werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 200 nm abgeschieden wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Streuschicht bei einer Temperatur von 20°C bis 350°C erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Sol-Gel-Verfahrens abgeschiedene Schicht bei mindestens 150°C getempert wird.
  9. Verwendung eines mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bearbeiteten Substrates zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, wobei eine photoaktive Schicht der Photovoltaikzelle im Kontakt entweder mit der aluminiumdotiertes Zinkoxid enthaltenden Streuschicht oder mit der transparenten leitfähigen Oxidschicht angeordnet wird.
  10. Photovoltaikzelle, umfassend eine photoaktive Schicht, die im Kontakt mit der aluminiumdotiertes Zinkoxid enthaltenden Streuschicht oder mit der transparenten leitfähigen Oxidschicht des mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bearbeiteten Substrats angeordnet ist.
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