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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR FILLING DEFECTS IN A PHOTOVOLTAIC APPARATUS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/103655
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for producing a photovoltaic apparatus is proposed, wherein the photovoltaic apparatus has at least two semiconductor layers, and wherein the semiconductor layers have pores, cracks or fine holes, wherein the semiconductor layers are formed in succession in a substrate configuration on a flexible carrier layer and on a first base metal contact electrode, and wherein the pores, cracks and fine holes are filled by means of cathodic deposition or by means of electroreduction polymerization of an electrical insulator.

Inventors:
CARNAL OLIVIER HENRI (CH)
LUSCHITZ JOHANNES ANDREAS (DE)
VAIRON CELINE (CH)
GERBER SANDRO (CH)
Application Number:
PCT/CH2011/000017
Publication Date:
August 09, 2012
Filing Date:
February 04, 2011
Export Citation:
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Assignee:
VON ROLL SOLAR AG (CH)
CARNAL OLIVIER HENRI (CH)
LUSCHITZ JOHANNES ANDREAS (DE)
VAIRON CELINE (CH)
GERBER SANDRO (CH)
International Classes:
H01L31/18; C25D13/08; H01L27/142; H01L31/0216; H01L31/0392; H01L31/073
Domestic Patent References:
WO2009120974A22009-10-01
WO2009120974A22009-10-01
Foreign References:
US5320723A1994-06-14
US4937651A1990-06-26
CH2010000329W2010-12-23
Other References:
XU Z ET AL: "Cathodic electropolymerization of polythiophene on platinum and various semiconducting electrodes", JOURNAL OF ELECTROANALYTICAL CHEMISTRY AND INTERFACIALELECTRO CHEMISTRY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 246, no. 2, 25 May 1988 (1988-05-25), pages 467 - 472, XP026517805, ISSN: 0022-0728, [retrieved on 19880525], DOI: 10.1016/0022-0728(88)80183-9
ISAO SEKINE: "Syntheses of Polymerized Films on Mild Steels by Electro-oxidation and Electroreduction and Their Corrosion Resistance", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, vol. 139, no. 11, November 1992 (1992-11-01), pages 3090 - 3097, XP055016179, ISSN: 0013-4651, DOI: 10.1149/1.2069037
SINGH V P ET AL: "Design issues in the fabrication of CdS-CdTe solar cells on molybdenum foil substrates", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 76, no. 3, 31 March 2003 (2003-03-31), pages 369 - 385, XP004404683, ISSN: 0927-0248, DOI: 10.1016/S0927-0248(02)00289-1
Attorney, Agent or Firm:
GACHNANG, HANS RUDOLF (CH)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist und wobei die Halbleiterschichten Poren, Risse oder feine Löcher aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden und dass die Poren, Risse und feinen Löcher mittels kathodischer Abscheidung beziehungsweise mittels einer Elektro-Reduktions-Polymerisation eines elektrischen Isolators gefüllt werden.

2. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in den Halbleiterschichten vor der Ausbildung der zweiten Kontaktelektrode gefüllt werden.

3. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in der ersten Halbleiterschicht vor der Ausbildung der zweiten Halbleiterschicht gefüllt werden.

4. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der flexiblen metallischen Trägerschicht und der ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode eine elektrisch isolierende Schicht ausgebildet wird und dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in der elektrisch isolierende Schicht vor der Ausbildung der ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode gefüllt werden.

5. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerisierbarer elektrischer Isolator ein Monomer aus der Gruppe der Pyridine verwendet wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerisierbarer elektrischer Isolator ein Vinylpyridin verwendet wird. 7. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerisierbarer elektrischer Isolator 2-Vinylpyridin verwendet wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerisierbarer elektrischer Isolator 4-Vinylpyridin verwendet wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation als Elektro-Reduktions-Polymerisation durchgeführt wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro- Reduktions-Polymerisation in einer schwach sauren Lösung durchgeführt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die schwach saure Lösung als Elektrolyt eine Mischung aus Ammoniumperchlorat und Perchlorsäure enthält.

12. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die schwach saure Lösung eine Mischung aus Methanol und Wasser enthält. 13. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro- Reduktionspolymerisation bei Raumtemperatur durchgeführt wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro-

Reduktionspolymerisation als zyklische Voltammetrie durchgeführt wird.

15. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro- Reduktionspolymerisation in einer drei-Elektrodenzelle mit einer Gegenelektrode aus Platin oder Graphit, mit einer Referenzelektrode und einer Arbeitselektrode durchgeführt wird, wobei als Arbeitselektrode die metallische erste Kontaktelektrode verwendet wird. 16. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht aus CdTe und dass die zweite Halbleiterschicht aus CdS ausgebildet ist.

Description:
VERFAHREN ZUR FÜLLUNG VON DEFEKTEN IN EINER

PHOTOVOLTAIKVORRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist und wobei die Halbleiterschichten Poren, Risse oder feine Löcher aufweisen.

Eine Photovoltaikvorrichtung besteht aus zumindest zwei unterschiedlichen Halbleiterschichten, die zwischen einer ersten besser leitenden und einer zweiten besser leitenden Kontaktelektrode eingebettet sind. In der schichtweisen Herstellung von Photovoltaikvorrichtungen können die Halbleiterschichten Poren, Risse oder feine Löcher aufweisen, die zu Kurzschlüssen führen, wenn die Poren im Verlauf der Abscheidung mit dem besser leitenden Material der zweiten Kontaktelektrode aufgefüllt werden.

Aus der WO 2009/120974 A2 ist ein System zur Füllung von feinen Löchern in Photovoltaikvorrichtungen bekannt. Die Photovoltaikvorrichtung wird hergestellt auf einer verhältnismässig steifen Glas- oder Plexiglasschicht als Trägermaterial. Das Sonnenlicht beleuchtet die photoaktiven Schichten durch das lichtdurchlässige Trägermaterial hindurch. Man spricht bei dieser Schichtreihenfolge von einer Superstratkonfiguration. Die Poren oder feinen Löcher werden mit einer wässrigen Lösung eines elektrischen Isolators gefüllt, der anschliessend anodisch zur Abscheidung und elektrochemisch zur Polymerisation gebracht wird.

In einer Photovoltaikvorrichtung mit einem anderen Aufbau erfolgt die Beleuchtung der photoaktiven Halbleiterschichten nicht durch ein transparentes Substrat hindurch, sondern durch eine oben liegende transparente, leitende Kontaktelektrode hindurch auf die photoaktiven Halbleiterschichten. Dieser Aufbau wird Substratkonfiguration genannt. Eine zweite leitfähige Kontaktelektrode befindet sich zwischen den photoaktiven Halbleiterschichten und dem Substrat. Diese zweite Kontaktelektrode besteht aus Gründen einer höheren Leitfähigkeit meist aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung. Weist die photoaktive Halbleiterschicht, die in direktem Kontakt mit dieser metallischen Kontaktelektrode steht, p-leitende Eigenschaften auf, so ist es vorteilhaft, für die metallische Kontaktelektrode ein Material mit einer an den Halbleiter angepassten Austrittsarbeit zu wählen, um so einen guten elektrischen Kontakt zwischen Kontaktelektrode und Halbleiter zu erzeugen.

Eine elektrochemische Behandlung, in der die metallische Kontaktelektrode als Anode fungiert, führt unweigerlich zur Korrosion der Kontaktelektrode aufgrund des unedlen Charakters des Metalls. Die Korrosion wird durch die Oxidation an der Anode verursacht. Korrosionsprodukte können die darüber liegenden Schichten zerstören, deren Haftung zur flexiblen Trägerschicht vermindern und zudem die elektrochemische Abscheidung von Schichten verhindern. Eine anodische Abscheidung, das heisst eine oxidierende Elektropolymerisation, kann deshalb hier nicht angewendet werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung anzugeben, wobei die Photovoltaikvorrichtung als Substratkonfiguration ausgebildet ist und wobei die Poren, Risse und feinen Löcher gefüllt werden können, ohne dass eine Korrosion der metallischen Kontaktelektrode oder des Metallsubstrats stattfindet. Somit können auch in einer Photovoltaikvorrichtung mit einer unedlen metallischen ersten Kontaktelektrode oder mit einer metallischen flexiblen Trägerschicht die Poren, Risse und feinen Löcher in den darüber liegenden Halbleiterschichten gefüllt und abgedichtet werden. In der Anmeldung mit der Anmeldenummer PCT/CH2010/000329 wird eine solche Photovoltaikvorrichtung beschrieben.

Diese Photovoltaikvorrichtung kann ohne Glasschicht, d.h. mit einem kleineren Gewicht und mechanisch weniger steif hergestellt werden. Die Photovoltaikvorrichtung wird unempfindlich gegen Glasbruch und kann ohne robuste Haltevorrichtungen auf Untergründen mit begrenzter Tragkraft installiert werden. Die Herstellungskosten der Photovoltaikvorrichtung werden geringer und die Lebensdauer der Photovoltaikvorrichtung wird länger.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung, wobei die Photovoltaikvorrichtung mindestens zwei Halbleiterschichten aufweist und wobei die Halbleiterschichten Poren, Risse oder feine Löcher aufweisen, wobei die Halbleiterschichten in Substratkonfiguration nacheinander auf einer flexiblen Trägerschicht und einer ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode ausgebildet werden und wobei die Poren, Risse und feinen Löcher mittels kathodischer Abscheidung beziehungsweise mittels einer Elektro-Reduktions-Polymerisation (nachstehend auch ERP genannt) eines elektrischen Isolators gefüllt werden.

Die erste metallische Kontaktelektrode oder die metallische flexible Trägerschicht der Photovoltaikvorrichtung fungiert in der elektrochemischen Behandlung als Kathode für die ERP des elektrischen Isolators.

Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Es ist von Vorteil, dass die Füllung der Poren, Rissen und feinen Löcher einfach im Herstellungsprozess der Photovoltaikvorrichtung integriert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Poren, Risse oder feinen Löcher in den Halbleiterschichten vor der Ausbildung der zweiten Kontaktelektrode gefüllt werden. In der Herstellung der Photovoltaikvorrichtung werden auf einer flexiblen Trägerschicht nacheinander eine erste Kontaktelektrode, eine erste Halbleiterschicht aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht aus CdS und eine zweite Kontaktelektrode in einem quasi-kontinuierlichen Beschichtungsverfahren aufgebracht. Vor der Ausbildung der zweiten Kontaktelektrode können die Poren, Risse und feinen Löcher beispielsweise wie in einem galvanischen Bad gefüllt werden. Es ist auch von Vorteil, dass als Füllmaterial für die Poren, Risse und feinen Löcher ein verhältnismässig ungiftiges und umweltverträgliches Material verwendet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass als polymerisierbarer elektrischer Isolator ein Monomer aus der Gruppe der Pyridine, insbesondere 2- Vinylpyridin oder 4- Vinylpyridin verwendet wird. 2-Vinylpyridin und 4- Vinylpyridin sind wesentlich harmlosere Füllmaterialien als beispielsweise Phenol-, Anilin- oder Acroleinverbindungen.

Es ist weiter auch von Vorteil, dass die Abscheidung des Füllmaterials auch auf einer Photovoltaikvornchtung mit einer unedlen metallischen ersten Kontaktelektrode in Substratkonfiguration ohne Gefahr einer Korrosion der Kontaktelektrode durchgeführt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Polymerisation als Elektro-Reduktions-Polymerisation durchgeführt wird. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die ERP in einer drei-Elektrodenzelle mit einer Gegen- und einer Referenzelektrode durchgeführt wird, wobei als Arbeitselektrode die metallische Trägerschicht verwendet wird. Die Gegenelektrode kann aus Platin, Graphit oder Wolfram hergestellt sein.

Ausführungsbeispiel

Eine flexible metallische Trägerschicht, beispielsweise eine dünne Aluminiumoder Stahlfolie, wird zur Herstellung einer Photovoltaikvornchtung nacheinander mit einer elektrisch isolierenden Schicht, einer ersten metallischen elektrischen Kontaktierungsschicht und einer ersten Hableiterschicht aus CdTe beschichtet. Photovoltaikvorrichtungen mit metallischen Trägerschichten sind leichter und mechanisch flexibler als Photovoltaikvorrichtungen, die auf Glas als Trägerschicht aufgebaut werden. In der ersten Halbleiterschicht und auch in der nachfolgend aufzutragenden zweiten Halbleiterschicht aus CdS sind Poren, kleine Zwischenräume, Risse oder feine Löcher vorhanden.

Diese Poren, Zwischenräume, Risse und Löcher könnten während der Abscheidung der zweiten leitfähigen, transparenten Kontaktelektrode mit leitfähigem Material gefüllt werden, welches somit in unmittelbarem Kontakt zur ersten metallischen Kontaktelektrode steht und einen Kurzschluss zwischen der ersten und der zweiten Kontaktelektrode erzeugt. Um einen Kurzschluss zwischen den beiden Kontaktelektroden zu verhindern, müssen die Zwischenräume mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden.

Hierzu wird das Halbfabrikat in ein galvanisches Bad eingebracht. In diesem elektrochemischen Bad wird eine sogenannte drei-Elektrodenzelle mit einer Gegenelektrode, beispielsweise aus Platin, einer Referenzelektrode und mit der unedlen metallischen ersten Kontaktelektrode als Arbeitselektrode eingerichtet. Das elektrochemische Bad weist eine molare Konzentration von etwa 0,05 bis 1 Mol 2-Vinylpyridin und eine molare Konzentration von etwa 0,01 bis 0,2 Mol eines Elektrolyts, beispielsweise Ammoniumperchlorat und Perchlorsäure, auf. Als Lösungsmittel wird eine Mischung von etwa 1 bis 40 Vol. % Methanol in Wasser verwendet. Die Lösung hat einen pH von etwa 1 bis 7, vorzugsweise schwach sauer.

Mittels einer Potentiostatschaltung wird eine Spannung von etwa -0,95 bis -2,65 Volt angelegt. Die Spannung wird, wie in der zyklischen Voltammetrie, zyklisch mit einer Rate von etwa 5 bis 100 mV/s verändert. Hierdurch wird das 2-Vinylpyridin-Monomer an der Oberfläche der Arbeitselektrode polymerisiert und abgeschieden, in diesem Fall in den Zwischenräumen, Poren, Rissen und Löchern in der Halbleiterschicht an der metallischen ersten Kontaktierungsschicht. Die metallische erste Kontaktelektrode der Photovoltaikvorrichtung dient bei der ERP als Kathode, die Platinelektrode als Anode und die Referenzelektrode als Sensor für die Steuerung des Abscheidungs- und Polymerisationsprozesses. Die ERP kann bei Zimmertemperatur durchgeführt werden. Der Polymerisationsprozess dauert etwa 1 bis 120 Minuten.

Nach dem Polymerisationsprozess wird das Halbfabrikat aus dem galvanischen Bad entnommen und mit destilliertem Wasser gereinigt. Zur Prozessüberwachung können mit einem Elektronenmikroskop die Zwischenräume analysiert werden. Mit einem Element-Detektor wird das Verhältnis C:N des Polymers in den Zwischenräumen gemessen und mit der Zusammensetzung des 2-Vinylpyridins verglichen.

Nachdem die Zwischenräume mit Polymermasse gefüllt sind, kann die Photovoltaikvorrichtung in weiteren Beschichtungsschritten fertig gestellt werden. In Figur 1 ist schematisch ein Schnitt durch eine Photovoltaikvorrichtung dargestellt, die von unten nach oben einen Aufbau aus folgenden Schichten zeigt: Eine flexible Trägerschicht 1 aus einem unedlen Metall, eine isolierende Schicht 2, eine erste unedle metallische Kontaktelektrode 3, eine erste Halbleiterschicht 4 aus CdTe, eine zweite Halbleiterschicht 5 aus CdS und eine transparente leitende zweite Kontaktelektrode 6. In Figur 1 sind die Poren 7, Zwischenräume 7, Risse 7 oder feinen Löcher 7 ersichtlich, die mit dem hier beschriebenen Verfahren gefüllt werden können. Die Poren 7, Zwischenräume 7, Risse 7 oder feinen Löcher 7 können sowohl in der isolierenden Schicht 2 als auch in der ersten Halbleiterschicht 4 und/oder in der zweiten Halbleiterschicht 5 entstanden sein.

Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikvorrichtung kann insbesondere bei einer Substratkonfiguration mit einer metallischen ersten Kontaktelektrode ohne die Gefahr der Korrosion angewendet werden. Die so hergestellte Photovoltaikvorrichtung zeichnet sich aus durch einen hohen Wirkungsgrad und das verwendete 2-Vinylpyridin ist weniger giftig als Anilin- oder Phenolverbindungen. Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn die elektrisch isolierende Schicht zwischen der flexiblen Trägerschicht aus Metall und der ersten unedlen metallischen Kontaktelektrode Poren, Risse oder feine Löcher aufweist, um während der Abscheidung der ersten metallischen Kontaktelektrode die Bildung von Kurzschlüssen zur Trägerschicht zu vermeiden.