DE69529529T2 - Herstellungsverfahren von dünnschicht-solarzellen - Google Patents

Herstellungsverfahren von dünnschicht-solarzellen

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Description

  • Die voliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht- Solarzellen.
  • CuInSe&sub2; (Kupfer-Indium-Selenid) - Dünnschicht-Solarzellen werden normalerweise hergestellt durch Ablagerung eines Molybdän (Mo)-Ruhekontakts auf einem Substrat, z. B. einem Glas- Substrat. Kupfer, Indium und Selenid werden dann auf den Ruhekontakt abgelagert, um eine CuInSe&sub2;-Schicht zu bilden, wobei das CuInSe, durch chemische Reaktion in einer Selen enthaltenden Atmosphäre gebildet wird. In diesem Stadium der Herstellung wird die Struktur einer Temperatur in dem Bereich von 350 bis 600ºC unterworfen.
  • Die CuInSe&sub2;-Schicht ist ein Halbleiter vom p-Typ. Ein Halbleiter vom n-Typ wird auf der CuInSe&sub2;-Schicht abgelagert, um eine pn-Grenzschicht zu bilden, die die eigentliche Solarzelle darstellt. Der n-Typ-Halbleiter besteht meist aus einer dünnen Schicht von CdS und einer viel dickeren Schicht von ZnO, was die beste Struktur bietet. Die ZnO-Schicht bildet gleichzeitig einen Kontakt an der Vorderseite.
  • Es ist erwünscht, die Wirksamkeit von Solarzellen dieser Art zu verbessern.
  • In Proc. 23rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference (1993) "ZnO/Cds/Cu(In,Ga)Se&sub2;, Thin film solar cells with improved performance", J. Hedström und H. Ohlsén, ist der letzte Stand der Technik von Dünnschicht-Solarzellen der vorliegenden Art beschrieben.
  • Solarzellen gemäß Fig. 1 dieser Schrift haben den Nachteil, daß es schwierig ist, einen gleichmäßigen und hohen Wirkungsgrad der Solarzelle zu erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen, das den Wirkungsgrad der hergestellten Solarzelle stark erhöht.
  • Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschicht-Solarzellenstruktur, das die folgenden Schritte aufweist:
  • a) Bereitstellen eines Substrats, b) Bilden einer Metallschicht auf dem Substrat, wobei die Metallschicht einen elektrischen Ruhekontakt in der Dünnschicht-Solarzellenstruktur bildet, c) Bilden einer Zwischenschicht auf der Metallschicht, wobei die Zwischenschicht aus einem Material besteht, das aus der Gruppe eines Alkali-Metalls und einer Alkali-Metall-Verbindung ausgewählt wird. d) Bilden einer polykristallinen Schicht aus einer p-Typ-CuInxGA1-xSySe2-y- Verbindung auf der Zwischenschicht.
  • Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Alkali- Metall, das auf die Struktur vor dem Aufbringen der CuInSe&sub2;-Schicht aufgebracht wird, Natrium (Na) oder Kalium (K).
  • Unter einer Kupfer-Indium-Selenid-Schicht, wie im vorliegenden Kontext und in den Ansprüchen verwendet, ist eine Kupfer-Indium-Selenid-Schicht unterschiedlicher Zusammensetzungen zu verstehen, die unterschiedliche Legierungssubstanzen enthält, vorwiegend Gallium und Schwefel. Der Begriff Kupfer-Indium-Selenid, wie er hier verwendet wird, betrifft vorwiegend die Verbindungen CuInSe&sub2;, CuInxGa1-xSe&sub2;, und CuInxGa1-xSySe2-y.
  • Die Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf eine Schicht aus Kupfer-Indium-Selenid beschrieben, die die Formel CuInSe&sub2; hat.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mehr im einzelnen beschrieben, teilweise unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, deren einzige Figur eine Solarzellenstruktur veranschaulicht.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Verständnis, daß, wenn Natrium oder elementares Kalium in der Form von elementarem Natrium oder Kalium oder in einer Verbindung, in der diese grundlegenden Substanzen vorhanden sind, auf die Oberfläche aufgebracht wird, auf der die CuInSe&sub2;-Schicht aufgebaut werden soll, zum Beispiel auf die Molybdän-Schicht, die Körnung in dem polykristallinen CuInSe&sub2;-Film mehr in einer Säulenstruktur orientiert ist. Die Körnung ist auch größer und die Struktur ist dichter. Der Widerstand in der CuInSe&sub2;-Schicht ist auch vermindert, was bedeutet, daß eine effektivere p-Dotierung erhalten wird, wodurch eine höhere Zellenspannung resultiert.
  • Andere Alkali-Metalle als Natrium und Kalium liefern den gleichen Effekt. Dies betrifft zumindest Lithium, das ein geringes Atomgewicht hat.
  • Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Dünnschicht-Solarzelle. Das Substrat, auf dem die Dünnschicht-Solarzellen aufgebaut werden, kann eine große Größe haben, zum Beispiel eine Größe von 1 · 0,4 Meter. Die Substratoberfläche wird daher eine sehr große Anzahl von Zellen tragen, die miteinander elektrisch verbunden sind. Fig. 1 zeigt nur einen Teil einer solchen Zelle. Die Technik des Herstellens einer großen Anzahl von getrennten, aber elektrisch miteinander verbundenen Zellen auf einer Substratoberfläche ist im Stand der Technik bekannt und wird hier nicht im einzelnen beschrieben.
  • Eine Solarzelle, auf die die Erfindung angewandt werden kann, kann in der folgenden Weise konstruiert sein. Das Substrat 1 hat normalerweise die Form einer Glastafel geeigneter Dicke, zum Beispiel einer Dicke von 2,0 mm. Eine Molybdän (Mo)-Schicht 2 wird zunächst auf die Glasoberfläche aufgesprüht. Die Molybdän-Schicht bildet den Ruhekontakt und den positiven Anschluß der fertigen Zelle. Die Molybdän-Schicht kann eine Dicke von 1.000 Nanometer haben. Dann wird eine CuInSe&sub2;-Schicht 3 aufgebracht, die eine gegebene Dicke von zum Beispiel 2.500 Nanometer haben kann. Dann wird zuerst auf die Schicht 3 eine Kadmium- Sulfid (CdS)-Schicht 4 aufgebracht, die eine gegebene Dicke von zum Beispiel 50 Nanometer haben kann, und danach eine elektrische Kontaktschicht in der Form einer transparenten dotierten Zink-Oxid-Schicht (ZnO) 5, die eine gegebene Dicke von zum Beispiel 500 Nanometer haben kann.
  • Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle, fällt, wird eine elektrische Spannung zwischen dem elektrischen Kontakt 5 (ZnO), der der negative Anschluß ist, und dem elektrischen Ruhekontakt 2 erzeugt.
  • Die Erfindung wird unten beispielsweise unter Bezugnahme auf die Verwendung von Natrium beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, daß andere Alkali-Metalle mit gleicher Wirkung verwendet werden können. Es ist zu verstehen, daß, obwohl die Schicht 6 der dargestellten Solarzelle auf Natrium bezogen ist, die Schicht 6 in der Tat aus dem Alkali-Metall besteht, das verwendet wird, wenn dieses Alkali-Metall ein anders als Natrium ist.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Schicht 6, die ein Alkali-Metall enthält, in dem dargestellten Fall Natrium (Na), auf der Oberseite der Metallschicht 2 gebildet, d. h. an der Oberseite der Molybdän-Schicht des dargestellten Beispiels, vor dem Aufbringen der CuInSe&sub2;-Schicht 3.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Natrium auf den elektrischen Ruhekontakt aufgebracht, d. h. die Metallschicht durch Verdampfen von Natrium- Selenid (Na&sub2;Se).
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Kalium auf den Ruhekontakt aufgebracht, d. h. die Metallschicht durch Verdampfen von Kalium-Selenid (K&sub2;Se).
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Alkali-Metall, in dem dargestellten Fall Natrium, gleichzeitig mit dem elektrischen Ruhekontakt aufgebracht, wenn der Ruhekontakt aus Molybdän besteht.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Schicht, die das Alkali-Metall enthält, in dem dargestellten Fall Natrium, in einer Dicke von 50 bis 500 Nanometer aufgebracht.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Schicht auch Sauerstoff (O).
  • Es wurde gefunden, daß, wenn die CuInSe&sub2;-Schicht auf die Oberseite der Schicht aufgebracht wird, die Natrium oder Kalium enthält, das Natrium oder Kalium im wesentlichen von der Oberfläche des Metallkontakts verschwindet. Wenn die CuInSe&sub2;-Schicht aufgebracht wird, findet man Natrium oder Kalium wieder an den Korngrenzen in der CuInSe&sub2;-Schicht und an der Oberfläche der Schicht. Wenn die CdS-Schicht dann in einem nassen Verfahren aufgebracht wird, verschwindet die Natrium- oder die Kalium-Verbindung von der Oberfläche, vorausgesetzt daß die Natrium- oder die Kalium-Verbindung in der in dem nassen Verfahren verwendeten Flüssigkeit löslich ist.
  • Dieses Verfahren resultiert in einer sehr überraschenden Erhöhung des Wirkungsgrads der beschriebenen und beispielsweise gezeigten Solarzelle, nämlich in einer Erhöhung von etwa 25%. Der typische Wirkungsgrad einer solchen Solarzelle dieser Art, auf die die Erfindung nicht angewandt wurde, ist 12%. Der Wirkungsgrad erhöht sich auf 15%, wenn die Erfindung angewandt wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine gegebene Solarzellen-Struktur beschrieben wurde, ist zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung auf andere Strukturen angewandt werden kann, in denen der elektrische Ruhekontakt nicht aus Molybdän besteht, sondern aus irgendeinem anderen geeigneten Metall, wie beispielsweise Wolfram, Nickel, Titan oder Chrom.
  • Ferner können andere Substrate als Glas, das Natrium enthält, verwendet werden. Zum Beispiel kann Glas verwendet werden, das nicht Natrium enthält, wie auch Glas, das Natrium enthält und das eine Diffusionssperre gegen Natrium an der Oberfläche enthält, auf der der elektrische Ruhekontakt aufgebaut werden soll.
  • Die Erfindung ist daher nicht als auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele derselben beschränkt anzusehen, da Variationen innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche vorgenommen werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen einer Dünnschicht-Solarzellenstruktur, das die folgenden Schritte aufweist:
a) Bereitstellen eines Substrats (1),
b) Bilden einer Metallschicht (2) auf dem Substrat, wobei die Metallschicht einen elektrischen Ruhekontakt in der Dünnschicht-Solarzellenstruktur bildet,
c) Bilden einer Zwischenschicht (6) auf der Metallschicht, wobei die Zwischenschicht aus einem Material besteht, das aus der Gruppe eines Alkali-Metalls und einer Alkali-Metall-Verbindung ausgewählt wird,
d) Bilden einer polykristallinen Schicht (3) aus einer p-Typ-CuInxGA1-xSySe2-y-Verbindung auf der Zwischenschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht durch Verdampfen von Natrium-Selenid gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht durch Verdampfen von Kalium-Selenid gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von zwischen 50 und 500 Nanometern hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Zwischenschicht außerdem Sauerstoff aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Metallschicht aus Molybdän besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:
e) Bilden einer n-Typ-Kadmium-Sulfid-Schicht (4) auf der Kupfer-Indium-Selenid- Schicht,
f) Bilden einer elektrischen Kontaktschicht (5) auf der n-Typ-Kadmium-Sulfid- Schicht, wobei die elektrische Kontaktschicht vorzugsweise eine Schicht aus dotiertem Zink-Oxid ist.
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