DE3428559C2 - Flexible, glasbeschichtete Substrate sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Flexible, glasbeschichtete Substrate sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles, glasbeschichtetes Substrat, welches zum Einsatz bei der Herstellung von elektronischen Elementen oder Solarzellen nützlich ist, wobei das Substrat eine dünne Metallplatte, eine erste, auf mindestens einer Seite der Metallplatte ausgebildete Glasschicht mit vielen Poren und eine zweite, auf der ersten Glasschicht ausgebildete Glasschicht aufweist, sowie das Verfahren, derartige Substrate herzustellen.

Description

aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschicht in Form einer Glaspaste mit einem Harzbindemittel in einer Menge zwischen 1 bis 10Gew.-%, berechnet auf Basis der Glaskomponente, aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspasten für beide Schichten bei Temperaturen von zwischen 600 bis 7500C erhitzt werden.
Die Erfindung betrifft ein flexibles, glasbeschichtetes Substrat sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Erfindung bezieht sich also auf flexible, isolierende Substrate, die zur Herstellung von Elementen wie Solarzellen mit amorphem Silizium, Dick- und Dünnschichtschaltkreisen und ähnlichem, eingesetzt werden. Bekannte flexible isolierende Substrate, die zur Herstellung von Elementen wie Solarzellen mit amorphem Silizium eingesetzt werden, umfassen (1) Substrate, die durch Herstellung eines dünnen Films von Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf einer dünnen Platte rostfreien Stahls erhalten werden, (2) Substrate, die durch Herstellen einer Schicht eines Harzes, wie einem Polyimid, auf einer dünnen Platte rostfreien Stahls und anschließendes Ausbilden einer Schicht von Titanoxid, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf der Harzschicht durch Vakuumaufdampfung erhältlich sind und (3) dünne flexible Glasplattensubstrate.
Die bekannten Substrate besitzen verschiedene Nachteile. Beispielsweise muß bei den Substraten (1) und (2) die Platte aus rostfreiem Stahl bearbeitet sein, um eine Oberflächenrauhigkeit unterhalb von 0,1 μιη für das erstere Substrat und eine Oberflächenrauhigkeit von unter 0,5 μηι, für letzteres Substrat, aufzuweisen.
Anderenfalls kann bei der Herstellung des isolierenden Überzugs eine zufriedenstellende isolierende Wirkung nicht gesichert sein. Die Substrate (2) können Isolationsfehlstellen aufweisen, da die Harzschicht so weich ist, daß sie zu Beschädigungen neigt Bei der Herstellung eines Elementes auf dem Substrat bringt die Harzschicht häufig von innen Gas hervor, welches, obwohl es kleine Mengen sind, zum Verbleib von kleinen Löchern in der Schicht führt, welche zum Wegfall der Isolation führen.
Obwohl das Substrat (3) die obengenannten Nachteile nicht aufweist, ist es so zerbrechlich, daß bei der Handhabung des Glassubstrates große Vorsicht notwendig ist, anderenfalls zerbricht es.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, welche die Nachteile der Substrate nach dem Stand der Technik vermeiden.
Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, welche gute Isolationseigenschaften sogar dann zeigen, wenn eine Metallplatte relativ großer Oberflächenrauhigkeit eingesetzt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, flexible, glasüberzogene Substrate herzustellen, die weniger zum Zusammenbruch ihrer Isolationseigenschaften und zum
auf sie ausgeübt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Substrat durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die im Kennzeichen des Anspruches 8 aufgeführten Schritte auf.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, wobei
Fi g. 1 eine schematische vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgen:äßen Substrats; und
F i g. 2 in ähnlicher Weise wie F i g. 1 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt
In F i g. 1 ist ein Substrat 5 gezeigt. Das zur Ausbildung von Solarzellen, Dünn- oder Dickschichtschahkreisen und ähnlichen auf demselben geeignete Substrat weist eine dünne Metallplatte 1, bspw. aus Titan, rostfreiem Stahl oder ähnlichem, auf. Die Metallplatte 1 ist auf mindestens einer Seite mit einer ersten isolierenden porösen Glasschicht 2 ausgebildet und einer zweiten, isolierenden dichten Glasschicht 3. Poren 4 in der ersten Glasschicht können voneinander getrennt sein, also als sogenannte geschlossene Zellen vorliegen oder offenzellig sein.
Die Metallplatte 1 besitzt üblicherweise jine Dicke von zwischen 10 bis 300 μτη und hat bevorzugt eine Oberflächenrauhigkeit unterhalb von 5 μίτι. Die erste isolierende poröse Glasschicht 2 ist mit einer Dicke von zwischen 5 bis 50 μπι ausgebildet und besitzt bevorzugt eine Porösität von zwischen 100 bis 1000 ppm pro Volumen. Die zweite isolierende Glasschicht 3 besitzt im allgemeinen eine Dicke von zwischen 5 und 50 μητ. Wie aus obigem ersichtlich, ist das Substrat S, welches die Metallplatte 1 mit der ersten und zweiten Schicht 2,3 aufweist, so dünn, daß Flexibilität sichergestellt ist Glaszusammensetzungen für die ersten und zweiten Glasschichten 2, 3 werden beim Verfahren zur Herstellung des Substrats 5 beschrieben.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats beschrieben. Das Verfahren weist das Herstellen einer dünnen Metallplatte, Aufbringen einer Glaspaste, welche eine Glaskomponente in Pulverform und einen Harzbinder aufweist, auf mindestens einer Seite der Metallplatte, Erhitzen der beschichteten Platte auf Temperaturen, die hinreichend sind, das Glaspulver zu schmelzen und Abkühlen der Platte und Aushärten des geschmolzenen Glases, um eine erste isolierende Glasschicht herzustellen, auf. Anschließend wird eine Glasplatte, welche eine Glaskomponente mit einem niedrigeren Erweichungspunkt als dem Erweichungspunkt der Glaskomponente für die erste Schicht aufweist, auf die erste Schicht aufgetragen, auf eine Temperatur, die zum Schmelzen der Glaskomponente hinreichend ist, erhitzt, abgekühlt und gehärtet, um eine zweite isolierende Glasschicht einer vorherbestimmten Dicke herzustellen. Demzufolge besitzt die zuerst hergestellte Glasschicht eine Vielzahl von Poren. Der Zustand der Poren in der ersten Schicht ist insbesondere in den F i g. 1 und 2 dargestellt und variiert hauptsächlich abhängig von den Herstellungsbeoingungen. Wenn hohe Schmelztemperaturen eingesetzt werden, besteht eine Neigung, kontinuierliche Zellen, wie in F i g. 2 dargestellt, in der ersten Glasschicht zu bilden. Andererseits werden dann, wenn die Schmelztemperaturen niedrig sind, beispielsweise 500s C, geschlossene Zellen, wie in F i g. 1 gezeigt, hergestellt. Es wird angenommen, daß der Ürund für die Ausbildung der Poren in der ersten Glasschicht darin besteht, daß der in der Glaspaste für die erste Schicht enthaltene Harzbinder während des Erhitzens und des Schmelzens der Glaskomponente verbrannt wird, wobei Gase unter Bildung von Poren oder Hohlräumen in demselben hergestellt werden. Die Porosität hängt hauptsächlich von der Menge Harzbinder und der Erhitzungstemperatur ab.
Im allgemeinen ist der Harzbindergehalt im Bereich von zwischen 1 bis 10 Gew.-°/o der Feststoffe in der Glaspaste. Die Erhitzungstemperatur bewegt sich zwischen 600 bis 750 und die Erhitzungszeit bewegt sich zwischen 1 bis 30 Minuten für beide Schichten. Das zur Herstellung der ersten Schicht einsetzbare Glas kann einen Erweichungspunkt im Bereich zwischen 350 bis 8000C besitzen. Beispiele derartiger GJäser umfassen PbO-B2O3, ZnO-B2O3-SiOrGläser. Ein typisches Glas besitzt eine Zusammensetzung aus PbO, B2O3 und S1O2 in den Gewichtsverhältnissen von 5:2:3. Die Harzbinder können jegliche thermoplastische Harze, wie Zellulosederivate, wie Nitrozellulose, Ethylzellulose, Methylzellulose, Carboxymethylzellulose, Hydroxypropylzellulo- se und Mischungen derselben, sein.
Die zweite Schicht kann aus irgendeiner Glaszusammensetzung hergestellt sein, nur daß diese Zusammensetzungen bevorzugt einen Erweichungspunkt haben sollten, der 100°C niedriger als der der Glaszusammen- Setzung für die erste Schicht liegt Typische Glaszusam mensetzungen für die zweite Schicht sind eine Mischung von PbO, B2O3 und S1O2 in Mischungsgewichtsverhältnissen von 7:1:2. Das nach dem oben beschriebenen erfindungsgemä ßen Verfahren erhaltene Substrat ist auf der Oberfläche der zweiten Glasschicht sehr glatt, obwohl die eingesetzte Metallplatte eine relativ große Rauhigkeit von beispielsweise 1 μπι besitzt Im allgemeinen wird, wenn ein festes Material gebogen wird, maximale Beanspru chung auf die Materialoberfläche ausgeübt Wenn eine eine Glasschicht tragende Metallplatte gebogen wird, wird die brüchige Glasschicht zerbrochen oder springt Mit dem erfindungsgemäß erhaltenen Substrat kann das Zerbrechen zu einem gewissen Ausmaß durch die Wir kung der Hohlräume oder Poren, die in der ersten Glas schicht, die zwischen der Metallplatte und der zweiten Glasschicht vorgesehen ist, vermieden werden. Die zweite Glasschicht besitzt eine so große Härte, daß sie weniger wahrscheinlich Beschädigungen oder Defor mationen als Kunstharzschichten erfährt
Die Erfindung wird nun detaillierter anhand eines Beispieles beschrieben.
Beispiel
Eine Platte aus rostfreiem Stahl (SUS 304) mit einer Oberflächenrauhigkeit von 1 μπι, einer Dicke von 0,1 mm und einer regelmäßigen quadratischen Form mit Seitenlängen von 10 cm, wurde vorgelegt Auf einer Sei te der Stahlplatte wurde durch eine Rasterdrucktechnik eine Glaspaste in einem Muster aufgebracht, in welchem zehn Rechtecke, von denen jedes eine Größe von 36 χ 16 mm besaß, angeordnet wurden. Diese Glaspaste hatte eine Zusammensetzung aus einem Glaspulver mit Korngrößen unterhalb von 3 μίτι und einem Bindemittel, das zu 10 Gew.-%, berechnet auf Basis des Glaspulvers, vorhanden war. Das Glaspulver besaß eine Zusammensetzung aus PbO, B2O3 und S1O2 in Gewichtsmischverhältnissen von 5:2:3, das Bindemittel wurde aus Nitrozellulose und Butyldiglykol im Gewichtsverhältnis von 1 :10 hergestellt.
Die Platte aus rostfreiem Stahl wurde bei 150° C 10 Minuten in einen Trockner gelegt, anschließend wurde die Platte in einem Ofen bei 700° C 5 Minuten derart gehalten, daß die mit Glas beschichtete Oberfläche waagerecht und obenliegend gehalten wurde. Demzufolge schmolz die Glaspaste und wurde anschließend auf eine Normaltemperatur zum Aushärten abgekühlt, wodurch
Ιΰ
das Glas an der Stahlplatte unter Erhalt einer ersten Glasschicht anhaftete.
Anschließend wurde wiederum eine Glaspaste durch ein Rasterdruckverfahren auf die Glasschicht aufgedruckt und anschließend in einen Erhitzungsofen bei 700° C 5 Minuten zum Schmelzen des Glases gelegt, gefolgt durch Abkühlen auf Normaltemperatur, um unter Herstellung einer zweiten Glasschicht auf der ersten Schicht auszuhärten. Die in der Glaspaste für die zweite Schicht eingesetzte Glaszusammensetzung war eine Mischung von PbO, B2O3 und SiO2 in Gewichtsverhältnissen von 7:1 :2. Diese Glaszusammensetzung besaß einen Erweichungspunkt, der um 100° C niedriger als der des Glases für die erste Schicht lag.
Die Glasschichten besaßen eine Dicke von etwa ΙΟμπι.
Die Stahlplatte wurde in Abschnitte, welche die Glasschichten trugen, zerschnitten, um 10 Substrate zu erhalten.
In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, wurden 30 Substrate hergestellt, von denen 3 Substrate zufällig ausgewählt wurden, um den Zustand der Glasschichten zu überprüfen. Daraus resultierend wurde gefunden, daß in der ersten Glasschicht viele Poren hergestellt wurden. Ein berechnetes Verhältnis von Porenvolumen zur ersten Glasschicht betrug etwa 250 ppm.
Die 30 Substrate wurden jeweils der Messung eines wiederholten Biegetests unterworfen, wobei es 100 χ einen minimalen Radius plus minus 1 cm gebogen wurde, und es sich zeigte, daß kein Brechen, wie Sprünge, in der Oberfläche der Glasschicht der entsprechenden Substrate gefunden wurde. Nach Vervollständigung des Biegetests wurde ein Spannungswiderstandstest durchgeführt, bei welchem 300 Volt über die Glasschichten jedes Substrates 10 Minuten angelegt wurden, es wurden keine dielektrischen Fehler gefunden.
Zum Vergleich wurden Substrate, welche keine porenreiche erste Schicht hatten, dem wiederholten Biegetest unter den gleichen Bedingungen, wie oben beschrieben, unterworfen. Es wurde gefunden, daß in der Glasoberfläche Sprünge auftraten, wenn das Substrat lediglich einmal gebogen wurde. Nach fünf- bis zehnmaligem Biegen der Substrate war etwa ein Drittel der Glasschichten von den Substraten abgefallen.
Die oben hergestellten 30 Substrate wurden auf der Glasschichtseite mit einer 500 nm dicken Rückenelektrode aus rostfreiem Stahl, einer amorphen Siliziumschicht, die aus einer p-Typ, einer i-Typ- und einer n-Typ-Siliziumschicht mit Dicken von 30 nm, 500 nm und 10 nm hergestellt war, und einer transparenten 70 nm-Elektrode, die in dieser Reihenfolge angeordnet wurden, ausgerüstet, wodurch Zellen-Elmente erhalten werden. Vier Elemente wurden in Reihe geschaltet, um eine Solarzelle mit amorphem Silizium zu erhalten. Die Solarzelle besaß eine Ablösungsspannung zwischen den Ausgaben von 2,4 Volt und einen Kurzschlußstrom von 12,6 μΑ unter einer Fluoreszenzlampe von 1501 x. Die zehn Elemente wurden dem wiederholten Biegetest in der gleichen Weise wie die Substrate in über zehntausend Biegezyklen unterworfen, wobei sich zeigte, daß in den obigen Charakteristika keine Veränderungen gefunden wurde.
Als das obengenannte Herstellungsverfahren für die Glasschichten unter Verwendung einer Erhitzungstemperatur im Bereich zwischen 600 bis 750°C wiederholt wurde, wurde gefunden, daß das Verhältnis der des Porenvolumens, das in der ersten Glasschicht enthalten war, zwischen 100 bis 1000 ppm betrug. Die entstehen
den Substrate überstanden den wiederholten Biegetest sowie eine Spannung über 100 Volt in einem anschließenden Spannungs-Durchschlagstest (breakdown voltage test).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Flexibles, giasbeschichtetes Substrat, gekennzeichnet durch eine dünne Metallschicht (1), eine erste, auf mindestens einer Seite der Metallplatte (1} mit vielen Poren ausgebildete Glasschicht (2) und eine auf der ersten Glasschicht hergestellte zweite Glasschicht (3).
2. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren geschlossene Zellen sind.
3. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren offene Zellen sind.
4. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (1) eine Dicke von zwischen 10 bis 300 um, die erste Glasschicht eine Dicke von zwischen 5 bis 50μΐη, und die zweite Glasschicht (3) eine Dicke von zwischen 5 bis 50 μιη besitzt
5. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschicht ein Volumenverhältnis von Poren zum Gesamtvolumen der ersten Schicht besitzt, das im Bereich von 100 bis 1000 ppm liegt
6. Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschicht aus einer Glaskomponente mit einem um 1000C höheren Erweichungspunkt als die Glaskomponente für die zweite Glasschicht besteht
7. Substrat gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskomponente für die erste Glasschicht eine Mischung aus PbO, B2O3 und SiO2 in Gewichtsmischverhältnissen von 5:2:3 ist, und daß die Glaskomponente für die zweite Glasschicht eine Mischung von PbO, B2O3 und SiO2 in Gewichtsmischverhältnissen von 7:1:2 ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines flexiblen, glasbeschichteten Substrats, welches die Schritte:
Vorlegen einer dünnen Metallplatte;
Aufbringen einer eine Glaskomponente in Pulverform und einen Harzbinder aufweisenden Glaspaste auf mindestens einer Seite der Metallplatte;
Erhitzen der behandelten Platte bei Temperaturen, die zum Schmelzen des Glaspulvers hinreichend sind;
Abkühlen der Platte und Erhärten des geschmolzenen Glases unter Herstellung einer ersten Glasschicht;
Aufbringen einer eine Glaskomponente mit einem niedrigeren Erweichungspunkt als die Glaskomponente der ersten Schicht aufweisenden Glaspaste auf die erste Glasschicht;
Erhitzen der aufgebrachten Paste bei Temperaturen, die hinreichend sind, um die Glaskomponente zu schmelzen; und
Abkühlen und Erhärten des geschmolzenen Glases, um eine zweite Glasschicht auf der ersten Glasschicht herzustellen, wodurch die erste Glasschicht, die zwischen der Metallplatte und der
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