DE3328899A1

DE3328899A1 - Verfahren zum herstellen von frontseitigem elektrisch leitendem kontakt fuer photovoltaische zellen

Info

Publication number: DE3328899A1
Application number: DE19833328899
Authority: DE
Inventors: Leonhard 7440 Nürtingen Bauer; Gerhard Dipl.-Ing. Bilger; Hans-Werner Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Schock; Bernd Dipl.-Phys. Dr. 6454 Bruchköbel Schurich; Jörg Dipl.-Chem. Dr. 6451 Großkrotzenburg Wörner
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1985-02-28
Also published as: DE3328899C2

Description

Verfahren zum Herstellen von frontseitigem elektrisch leitendem Kontakt
für photovoltaische Zellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von frontseitigem elektrisch leitendem vorzugsweise gitterförmigem Kontakt von zumindest zwei Halbleiterschichten aufweisenden photovoltaischen Zellen, sowie nach diesem Verfahren hergestellte Zellen.
Photovoltaische Zellen oder auch Solarzellen genannt zeigen eine diodenartige Struktur und können aus einkristallinen oder amorphen Substanzen aufgebaut sein. Beispielhaft sei in diesem Zusammenhang auf die US-A-40 64 521 oder die DE-A-27 32 933 verwiesen, in denen Dünnschicht-Solarzellen beschrieben werden, die aus amorphem Silizium oder Cadmiumsulfid-Kupfersulfid bestehen. Dü nnschicht-Solarzellen können aus einem Substrat bestehen, auf das ein rückwärtiger metallischer Kontakt aufgebracht wird, auf dem wiederum zumindest eine p-oder eine n-leitende dünne Schicht und auf diese eine n-leitende oder p-leitende zweite Schicht aufgebracht werden. Die oberste Schicht wird sodann erneut mit einem elektrisch leitenden Kontakt versehen, der ein Metallgitter oder eine transparente leitfähige Schicht darstellen kann. Schließlich wird der zweite elektrische Kontakt durch zum Beispiel ein Glas abgedeckt. Solarzellen können sodann verkapselt werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß die von dem Substratträger sowie dem Deckglas einzuschließenden Leiter bzw.
Halbleiter heiß versiegelt und verpreßt werden (siehe zum Beispiel DE-A-27 32 933).
Um einen hohen Wirkungsgrad einer Solarzelle zu erzielen, ist es unter anderem erforderlich, daß der frontseitige also lichtquellenseitige elektrische Kontakt, der -wie erwähnt- aus transparent-leitfähigen Schichten oder einem engmaschigen metallischen Gitter bestehen kann, eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit gewährleistet, daß also die Solarzelle so wenig wie möglich abgeschattet wird. Dabei ist es bekannt, ein metallisches Gitter auf einem Träger aus Glas herzustellen und mittels eines Heißsiegelklebers mit der Solarzelle zu verpressen oder das Gitter durch Aufdampfen eines Metalles im Hochvakuum durch eine geeignete Maske herzustellen. Auch ist es vorgeschlagen worden, daß metallische Gitter mit leitfähigen Pasten mittels des Siebdruckverfahrens aufzubringen. Die nach diesen Verfahren hergestellten Gitter zeigen jedoch Nachteile, die sich in der relativ großen Mindestbreite der Gitterstege, der thermischen Stabilität des Kontaktes bzw. in hohen Herstellungskosten äußern. Grundsätzlich ist es dabei nicht möglich, feine Gitter bei geringem Kostenaufwand zu erstellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine frontseitige Kontaktierung von Solarzellen einfach und kostengünstig herzustellen, wobei gleichzeitig die Verluste in Folge der Abschattung der aktiven Schichten durch den elektrischen Kontakt verringert werden sollen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die frontseitige, also vordere, lichtquellenseitige Halbleiterschicht eine Freiräume aufweisende Maske nichtleitenden Materials aufgebracht und anschließend elektrisch leitendes Material in die Freiräume eingebracht werden. Dabei weist die Maske vorzugsweise die Negativform eines Gitters auf, um somit dem elektrisch leitenden Material Gitterstruktur zu verleihen. Dabei kann vorzugsweise die Maske im Siebdruckverfahren aufgebracht werden, wodurch sich Abmessungen der Gitter des elektrisch leitenden Kontakts bezüglich der Gitterbreite von 50 - 150 pm und der Gitterhöhe von 10 - 50 Um ergeben können. Das elektrisch leitende Material, das gegebenenfalls aus mehreren Schichten besteht, kann vorzugsweise galvanisch oder elektrophoretisch in die Freiräume eingebracht werden. Die Maske selbst besteht aus einem transparenten Material, das optisch der darüberliegenden Schicht angepaßt und gleichzeitig für eine Verkapselung geeignet ist.
Dazu sollte die Maske aus nichtleitendem Material die Eigenschaft zeigen, sich mit der für eine Verkapselung erforderlichen Klebstoffschicht fest zu verbinden.
Durch die erfindungsgemäße Lehre kann ein vorzugsweise eine Gitterstruktur aufweisender frontseitiger, also lichtquellenseitiger elektrischer Kontakt hergestellt werden, durch den im Vergleich mit Zellen, die aufgepreßte Metallgitter als elektrischen Kontakt zeigen, der Wirkungsgrad um 20% erhöht wird, ohne daß ein besonderer herstellungstechnischer Aufwand erforderlich wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Maske nach Einbringen des elektrisch leitenden Materials entfernt werden, um so die Halbleiterschichten anschließend behandeln zu können. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn durch Einwirkung des Elektrolyten bei der galvanischen Abscheidung des Frontkontakts die obere Halbleiterschicht negativ beeinflußt wird, indem die Transporteigenschaften verschlechtert oder erhöhte Oberflächenrekombinationen auftreten.
Durch Regeneration können diese Fehler wieder beseitigt werden.
Um eine stabile Struktur des frontseitigen elektrischen Kontakts zu gewährleisten, kann dieser aus mehreren dünnen Schichten bestehen, die eine gute Kontaktierung zu der Halbleiterschicht auf der einen und zu einer im Oberteil der Solarzelle vorhandene Verschaltungsstruktur auf der anderen Seite gewähren. Vorzugsweise umfaßt der elektrisch leitende Kontakt eine erste als Kontaktschicht zu bezeichnende Schicht, die vorzugsweise aus galvanisch abgeschiedenem Gold oder Palladium der elektrophoretisch abgeschiedenem Graphit besteht. An diese Kontaktschicht kann sich eine Leitschicht anschließen, die vorzugsweise aus galvanisch abgeschiedenem Nickel besteht. Schließlich kann als dritte Schicht eine Metallschicht aus niedrig schmelzendem Lot aufgebracht sein, um so eine gute elektrische Verbindung mit der Verschaltungsstruktur des Oberteils bei der Verkapselung durch Verpressen der Solarzelle bei erhöhter Temperatur zu gewährleisten.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, zur Veranschaulichung voneinander getrenntes Unter- und Oberteil aufweisenden Solarzelle und Fig. 2 eine Seitenansicht eines aus mehreren Zellen bestehenden Solarzellenmoduls.
In Fig. 1 ist rein schematisch und vergrößert eine Solarzelle 10 dargestellt, die aus einem Unterteil 12 und einem Oberteil 14 besteht, die in einem anschließenden Arbeitsgang zu einer in sich gekapselten Zelle zusammengefügt werden können.
Das Unterteil 12 umfaßt eine Grundplatte 16, die vorzugsweise aus einem Substratglas besteht. Auf dieses Substratglas 16 wird ein erster elektrisch leitender Kontakt 18 aufgebracht, der zum Beispiel aus einer Silberschicht bestehen kann, die durch Aufdampfen auf das Substratglas 16 aufgetragen wird. Dabei kann selbstverständlich zwischen dem Substratglas 16 und der Silberschicht 18 eine Haftvermittlungsschicht angeordnet sein.
Im Falle, daß es sich bei der Solarzelle 10 um eine Cadmiumsulfid-Kupfersulfid-Solarzelle handelt, wird auf den elektrischen Leiter 18 eine Schicht 20 aus Cadmiumsulfid der Stärke von ca. 30 aufgedampft. Auf die erste Halbleiterschicht 20, die gegebenenfalls zur Verringerung von Reflexionen und zum Herausätzen von Korngrenzen mit Hilfe einer wässrigen Salzsäure aufgerauht werden kann, wird eine Kupfersulfidschicht 22 aufgetragen, was durch eine chemische Reaktion zum Beispiel durch Eintauchen in eine einwertige Kupfer-Ionenlösung erfolgen kann. Diese Kupfersulfidschicht weist dann eine Größe von ungefähr 0,2 tim Dicke auf. Auf die obere (frontseitige) Halbleiterschicht 22 wird nun erfindungsgemäß eine Maske nichtleitenden Materials in Form einer Schicht 24 aufgetragen.
Diese Markierungsschicht 24 weist vorzugsweise die Negativform eines Gitters auf, jedoch sind auch andere Formen möglich, wobei ausschlaggebend ist, daß die Maskierung Freiräume 26 aufweist, in die dann erfindungsgemäß leitfähiges Material 28 eingebracht werden kann. Dieses leitfähige Material 28 kann dabei aus mehreren Schicht bestehen. Im Ausführungsbeispiel besteht das leitfähige Material aus den Schichten 30, 32 und 34. Die Schicht 30, die auch als Kontaktschicht bezeichnet werden kann, wird vorzugsweise galvanisch oder elektrophoretisch in die Zwischenräume 28 und somit auf die Halbleiterschicht 22 aufgetragen. Dabei dient die Kontaktschicht 30 zur Herstellung eines elektrisch gut leitenden Kontakts zur Halbleiterschicht 22. Die Kontaktschicht 30 kann dabei vorzugsweise aus Gold oder Palladium bestehen. Alternativ dazu kann auch elektrophoretisch abgeschiedenes Graphit gewählt werden. Auf die Kontaktschicht 30 ist im Ausführungsbeispiel sodann eine Leitschicht 32 vorzugsweise in Form von galvanisch abgeschiedenem Nickel eingebracht, um eine Permeationsbarriere zu erzeugen. Schließlich ist als äußere Schicht 30 vorzugsweise galvanisch eine Lotschicht aufgebracht, um über diese eine sichere elektrisch leitende Verbindung mit einer Leiterbahn 28 herzustellen, die im Oberteil 14 der Solarzelle 10 verläuft. Diese Leiterbahn 28 dient unter anderem zur Verschaltung von Einzelzellen zu einem Solarzellenmodul, wie es in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist.
Die Maske 24 besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus transparentem Material und ist optisch dem Oberteil 14 angepaßt, daß sich im wesentlichen aus einem Deckglas 38 und einer Klebstoffschicht 40 und außerdem aus der erwähnten Leiterbahn 36 zusammensetzt. Die Maske 24, die zum Beispiel im Siebdruckverfahren aufgetragen werden kann, kann aus einem Material bestehen, der der Klebestoffschicht 40 entspricht, der vorzugsweise aus einem Heißsiegelkleber besteht. Bestehen nämlich die Maske 24 und die Klebstoffschicht 40 aus gleichem Material, so ergibt sich der Vorteil, daß bei Heißversiegeln und Verpressen des Ober- und Unterteils 14 bzw. 12 ein einwandfreier Aufbau der Solarzelle gegeben ist.
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, daß der elektrisch leitende Kontakt 28 erst dann auf die zweite Halbleiterschicht 22 aufgebracht wird, wenn eine aus nichtleitendem Material bestehende Maske, die die Negativform eines Gitters haben sollte, aufgetragen ist, ergibt sich der Vorteil, daß die Gitterstege überaus schmal gewählt werden können. So sind Stegbreiten von 50 - 150 tim Dicke möglich, wobei die Schichtdicke der Maske 24 10 - 50 çum betragen kann. Demzufolge erfolgt eine im Vergleich zu den bekannten Zellen nur geringe Abschattung des aktiven Bereichs der Solarzelle, so daß sich deren Wirkungsgrad erhöht.
Ist der erfindungsgemäße Aufbau der Maske 24 und des in diesen eingebrachten elektrischen Kontakts 28 am Beispiel einer Cadmium- sulfid-Kupfersulfid-Solarzelle 10 beschrieben, so kann selbstverständlich auch jede andere Solarzelle entsprechend ausgebildet werden.
In Fig. 2 ist in Seitenansicht ein Solarzellenmodul 42 dargestellt, das eine gemeinsame Grundplatte 44 aufweist, auf die ein erster elektrischer Kontakt 46 sowie Halbleiterschichten 48 und 50 aufgetragen sind, um anschließend auf die Schicht 50 einen elektrischen Kontakt 52 in einer Art aufgebracht zu haben, wie er im Zusammenhang mit der Maske 24 und dem elektrisch leitenden Gitter 28 nach Fig. 1 beschrieben worden ist. Die Verschaltung der einzelnen Solarzellen die im vorliegenden Beispiel in Reihe geschaltet sind, erfolgt dann durch eine Verbindung zwischen in dem Oberteil 54 des Solarzellenmoduls 42 verlaufenden Leiterbahnen 56 mit den im Unterteil 58 vorhandenen ersten elektrischen Kontakten 46 über geeignete Leiter 60 in Form von zum Beispiel niedrig schmelzendem Lot oder einem leitfähigen Kleber.

Claims

Patentansprüche: Verfahren zum Herstellen von frontseitigem elektrisch leitendem vorzugsweise gitterförmigem Kontakt einer zumindest zwei Halbleiterschichten aufweisenden photovoltaischen Zellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die frontseitige (obere) Halbleiterschicht (22) eine Freiräume (26) aufweisende Maske (24) nichtleitenden Materials aufgebracht und anschließend elektrisch leitendes Material (28) in die Freiräume eingebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Maske (24) im Siebdruckverfahren aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das vorzugsweise aus mehreren Schichten (30, 32, 34) bestehende elektrisch leitende Material (28) galvanisch oder elektrophoretisch in die Freiräume (26) eingebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Maske (24) nach Einbringen des elektrisch leitenden Materials (28) entfernt und die frontseitige Halbleiterschicht (22) behandelt wird.
5. Verfahren nach zumindest Anspruch 1 zur Verwendung bzw. zur Herstellung von aus mehreren photovoltaischen Zellen zusammengesetzten Modulen (Fig. 2).
6. Photovoltaische Zelle umfassend zumindest zwei Halbleiterschichten die beidseitig von elektrisch leitenden Kontakten umgeben sind, wobei der frontseitige elektrisch leitende Kontakt vorzugsweise die Form eines Gitters aufweist, hergestellt gemäß dem Verfahren nach zumindest Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die obere Halbleiterschicht (24) eine Freiräume (26) umfassende Maske (24) nichtleitenden Materials angeordnet und daß in die Freiräume elektrisch leitendes Material (28) zur Bildung des frontseitigen elektrisch leitenden Kontakts eingebracht ist, wobei die Maske transparent und optisch der angrenzenden (lichtquellenseitigen) Abdeckschicht (38, 40) angepaßt ist.
7. Zelle nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Maske (24) aus Epoxydharz-Siebdruckfarbe besteht.
8. Zelle nach Anspruch 6, d a d u r c h #g e k e n n z e i c h n e t, daß die Maske (24Y aus Heißsiegelkleber besteht.
9. Zelle nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das elektrisch leitende Material (28) aus mehreren Schichten (30, 32, 34) zusammengesetzt ist.
10. Zelle nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das elektrisch leitende Material (28) eine unmittelbar an die frontseitige (lichtquellenseitige) Halbleiterschicht (22) angrenzende Kontaktschicht (30) umfaßt, die vorzugsweise aus galvanisch abgeschiedenem Gold oder Palladium besteht.
11. Zelle nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kontaktschicht (30) vorzugsweise aus elektrophoretisch abgeschiedenem Graphit besteht.
,, 12. Zelle nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich an die Kontaktschicht (30) eine Leitschicht (32) anschließt, die vorzugsweise aus galvanisch abgeschiedenem Nickel besteht.
13. Zelle nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das elektrisch leitende Material (28) eine obere gegebenenfalls galvanisch aufgebrachte Lotschicht (34) umfaßt, die mit einem im oberen Teil der Solarzelle vorhandenen Leiterband leitend verbunden ist.