DE3688987T2

DE3688987T2 - Modul von Dünnschichtsonnenzellen.

Info

Publication number: DE3688987T2
Application number: DE86304278T
Authority: DE
Inventors: Robert R Gay
Original assignee: Siemens Solar Industries LP
Current assignee: Siemens Solar Industries LP
Priority date: 1985-06-04
Filing date: 1986-06-04
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2006-06-05
Also published as: JPS628578A; EP0204567B1; EP0204567A3; US4638111A; JPH0614557B2; EP0204567A2; DE3688987D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtsolarzellenmodul.
Die innerhalb dieser Beschreibung und der Ansprüche benutzten Ausdrücke haben die folgende Bedeutung:
"Solarzelle" oder "Zelle", ein einzelnes getrenntes Teil) das einen Übergang besitzt und zur direkten Umwandlung von Photonen in elektrische Energie befähigt ist;
"Dünnschichtsolarzelle", eine Solarzelle, die aus mikro-kristallinem, amorphem Verbindungshalbleiter oder aus einem von monokristallinem Halbleitermaterial unterschiedlichen Halbleitermaterial hergestellt ist und in situ auf einem Substrat abgeschieden ist;
"Paneel", eine Anordnung oder Gruppe von Solarzellen, die untereinander verbunden sind, um elektrische Energie zu liefern;
"Modul", ein oder mehrere Paneele, die in ein geeignetes Gehäuse eingebettet sind und für einen Langzeitbetrieb zur Herstellung von elektrischer Energie befähigt sind;
"Anordnung", abhängig vom Zusammenhang eine Gruppe von Solarzellen, die ein Paneel bildet oder eine Gruppe von Paneelen, die aufgestellt sind, um Photonen zur direkten Umwandlung in elektrische Energie zu empfangen;
"Spektrale Empfindlichkeit", Empfindlichkeit gegenüber einem vorbestimmten, nicht das ganze Lichtspektrum umfassenden Bereich desselben,
"TFS", Dünnschichtsiliziumlegierung;
"CIS", Kupferindiumdiselenid.
Schon länger wird angestrebt, durch die Benutzung von Solarzellen einen größtmöglichen Bereich des Sonnenspektrums einzufangen und direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Konventionelle monokristalline Solarzellen scheinen sich rasant dem endgültigen intrinsischen Grenzwert ihres Umwandlungswirkungsgrads anzunähern. Infolgedessen werden andere Typen von Solarzellen, zum Beispiel solche aus Galliumarsenid oder anderen Materialien gefertigte konstruiert. Obgleich solche Materialien einen höheren Umwandlungswirkungsgrad als monokristallines Silizium besitzen, existiert dennoch ein erwartbarer endgültiger Grenzwert des Wirkungsgrads.
Um den Sammlungswirkungsgrad zu erhöhen, wurden Kaskadensolarzellen in Betrachtung gezogen, wie sie bei Salahm Bedair, Sunil B. Phatak and John R. Hauser, IEEE Transactions on Electron Devices, ED27, No. 4 : 822 - 831 (April, 1980) diskutiert werden. Wie dort angegeben ist, werden in einem Versuch, den Wirkungsgrad zu verbessern, zwei oder mehr Zellen verwendet, um das Sonnenspektrum effizienter zu nutzen. Ein erster Versuch, der eine solche Mehrzahl von Zellen nutzt, ist der des Spektrum-Splittings. Dabei wird das Sonnenspektrum mit Hilfe von Filtern in zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt und als Ergebnis wirkt ein engerer Bereich von Photonenenergien auf jede Einzelzelle ein. Infolgedessen muß jede Zelle in einem engeren Bereich von Photonenenergien ansprechen, so daß jede Zelle zu einem höheren Wirkungsgrad optimiert werden kann als eine einzelne Solarzelle gegenüber dem gesamten Sonnenspektrum. In einer Versuchsanordnung wurde eine monokristalline Siliziumzelle für niederenergetische Photonen und eine Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) Zelle für hochenergetische Photonen genutzt.
Eine andere Methode besteht darin, zwei einzelne Solarzellen optisch und elektrisch in Serie zu verschalten. In diesem Versuch ist die Zelle mit dem weiten Bandabstand über der helle mit dem engen Bandabstand angeordnet. Die energiereihen Photonen werden dann in der oberen Zelle mit dem weiten Bandabstand absorbiert, während die niederenergetischen Photonen, das heißt die, die unterhalb des Bandabstands der oberen Zelle liegen, die untere Zelle zur Absorption erreichen. Die Kaskadenzellen werden unter Verwendung einer monolithischen Aluminium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid Zellenstruktur mit einer hochdotierten, sehr dünnen Tunnel Zwischenschicht, die einen Bandabstand so groß wie oder größer als der der oberen Zelle besitzt, gebildet.
Es kann leicht erkannt werden, daß das Konzept des Spektrumsplittings Spiegel, Filter und zwei verschiedene Solarzellen erfordert. Zusätzlich werden zwei verschiedene Gehäuse für diese Solarzellen und die Spektrum-Splitting-Vorrichtung benötigt. In Fachmann auf diesem Gebiet wird leicht erkennen, daß die Verwendung dieses Konzepts für kommerzielle Anwendungen nicht so kostengünstig ist, verglichen mit den Solarzellen des Stands der Technik.
Das optische und elektrische in Serie Verschalten von Kaskadenzellen unter Verwendung einer hochdotierten Tunnelzwischenschicht erfordert eine Anpassung der Kurzschlußströme, um einen richtigen Betrieb zu erreichen. Dieses Anpassen der Kurzschlußströme wird unmöglich, wenn die Zelle dem normalen Sonnenlicht ausgesetzt wird, ganz einfach weil sich die Frequenzen des normalen Lichts auf der Erde im Laufe des Tages mit der Bewegung der Sonne über den Himmel verändern. Daher wird ein Fachmann erkennen, daß das Anpassen der Kurzschlußströme mit Ausnahme für eine Frequenz des Spektrums oder ein bestimmtes Spektrum des einfallenden Lichts nicht erreicht werden kann. Wenn außerdem monokristalline Strukturen für Kaskadenzellen verwendet werden, wie im Stand der Technik offenbart ist, erfordern die Verbindungen zur Zwischenschicht eine Gitteranpassung, um ein geeignetes Tunneln durch die Zwischenschicht zu ermöglichen. Das hat sich als uneffektiv herausgestellt. In allen Fällen des obengenannten Stands der Technik wurden einzelne Solarzellen verwendet, im Gegensatz zu den verschalteten Anordnungen solcher Zellen, die vollständige Paneele von Solarzellen bilden.
In der US-Patentschrift 4 461 922, auf deren Offenbarung hiermit hingewiesen wird, wird ein Solarzellenmodul nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Im US-Patent 4 461 922 werden einzelne Paneele von Solarzellen eines über dem anderen gestapelt und so angeordnet, daß einfallendes Licht jede der Zellanordnungen in jedem Paneel passiert und auf die darunterliegenden trifft. In diesem Patent sind die Solarzellen in jedem Paneel so ausgewählt, daß sie eine vorbestimmte und unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit besitzen und daher empfindlich gegenüber verschiedenen Lichtfrequenzen sind. Jedes der Paneele kann unabhängig aus Dünnschichtsilizium Wasserstofflegierungen, monokristallinen oder Verbindungshalbleitern aufgebaut sein. Obwohl dieses Patent das Stapel von Solarmodulen beschreibt, um deren Wirkungsgrad zu verbessern, verbleibt dennoch das Problem, die Ausnutzung der Lichtenergie zu optimieren und dabei den Wirkungsgrad solcher gestapelter Module zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Dünnschichtsolarzellenmodul vorgesehen, welches optisch in Serie ein erstes Solarzellenpaneel und ein zweites Solarzellenpaneel umfaßt, die durch eine transparente Isolierung getrennt sind, wobei das erste Solarzellenpaneel eine TFS-Schicht umfaßt und sandwichartig zwischen einer ersten Schicht eines transparenten leitfähigen Oxids und einer zweiten Schicht eines transparenten leitfähigen Oxids auf einem transparenten Substrat angeordnet ist und wobei das zweite Solarzellenpaneel einen CIS- Halbleiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Solarzellenpaneel, der genannte CIS-Halbleiter, sandwichartig zwischen Zinkoxid und einer, auf einem Substrat abgeschiedenen, leitfähigen metallischen Schicht angeordnet ist, bei der das genannte Zinkoxid eine erste Zinkoxidschicht und eine zweite Zinkoxidschicht umfaßt, wobei die erste Zinkoxidschicht über dem CIS-Halbleiter liegt, dünner und hochohmiger ist als die zweite Zinkoxidschicht, und die letztere der transparenten Isolierung benachbart ist.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchem
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines monolithischen Solarpaneels;
Fig. 2 ist ein vergrößerter ausschnittsweiser schematischer Querschnitt durch ein Dünnschichtsolarzellenmodul;
Fig. 3 ist ein vergrößerter, ausschnittsweise schematischer Querschnitt durch ein TFS-Solarzellenpaneel, welches in einem Modul gemäß der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 4 ist ein vergrößert er ausschnittsweiser schematischer Querschnitt eines CIS-Solarzellenpaneels, das in einem Modul gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 5 ist ein vergrößerter, ausschnittsweiser schematischer Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten TFS-Solarzellenpaneels und zeigt dessen Aufbau, und
Fig. 6 ist ein vergrößert er fragmentarischer Querschnitt des in Fig. 4 dargestellten CIS-Solarzellenpaneels und zeigt dessen Aufbau.
Ein Dünnschichtsolarzellenmodul gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Mehrzahl von Dünnschichtsolarzellenpaneelen, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit besitzen. Ein Beispiel eines monolithischen Solarzellenpaneels ist unter 10 in Fig. 1 dargestellt.
Das Paneel definiert eine Mehrzahl von länglichen Solarzellen 12, die zwischen einem Paar von externen Leitern 14 und 14' elektrisch in Serie geschaltet sind. Die Zellen sind als schmale Streifen ausgebildet und entlang einander gegenüberliegender Längskanten miteinander verbunden, um die Verluste durch den Serienwiderstand zu minimieren. Die Verbindung zwischen den Zellen wird direkt durch einen unstrukturierten aktiven Film auf dem Solarzellenpaneel ausgeführt. Der in den Zellen als Antwort auf einfallendes Licht (h ν) erzeugte Strom fließt über eine sehr kurze Entfernung innerhalb jeder Zellelektrode, bevor er die gegenüberliegende Elektrode einer benachbarten Zelle erreicht. Ein Solarzellenmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeichnet sich besonders dadurch aus, daß eine Mehrzahl von unabhängigen Solarzellenpaneelen, von denen jedes getrennt funktionsfähig ist, unter Verwendung der gewünschten Materialien hergestellt werden, die gegenüber vorbestimmten unterschiedlichen Bereichen des Sonnenspektrums empfindlich sind. Die Solarzellenpaneele werden getrennt hergestellt, um die speziellen Techniken zu nutzen, die für die Herstellung des jeweiligen Materials am erfolgreichsten sind. Nach vollständiger Herstellung der einzelnen Paneele werden diese physikalisch eines über dem anderen gestapelt, wobei eine dazwischenliegende geeignete transparente Zwischenschicht dazu dient, den Durchtritt von Photonen durch dieselbe zu erlauben. Durch Anpassen der spektralen Empfindlichkeit der einzelnen Solarzellenpaneele können diese so gegenüber unterschiedlichen Bereichen des Sonnenspektrums empfindlich gemacht werden und wirkungsvoll so angepaßt werden, um einen maximalen Sammlungswirkungsgrad in bezug auf jene vorbestimmte Bereiche des Spektrums zu erzielen.
Zusammen mit dem zuvor Ausgeführten erlaubt diese Herstellungstechnik die Verwendung von Teilen der Strukturen als Gehäusematerial für das fertiggestellte Solarzellenmodul. Diese Herstellungstechniken haben ein effizienteres Modul zur Folge, welches an eine gewünschte Verwendung angepaßt werden kann und welches einen höheren Sammlungswirkungsgrad erreicht, als er bisher mit einem vernünftigen großen Aufwand möglich war.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird, besteht ein Dünnschichtsolarzellenmodul 20 aus einem isolierenden Substrat 22, wie zum Beispiel Glas oder transparentem Plastik, einem TFS-Halbleiter 24, einem CIS-Halbleiter 28, einem isolierenden Substrat 26 und einer transparenten dielektrischen Schicht 29, welche ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein kann. In einer bevorzugten Ausführung ist die Schicht 29 eine gegossene Schicht, die aus einem geeigneten transparenten Material hergestellt sein kann wie Silikon, Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylenvinylacetat (EVA). PVB ist ein transparentes, thermoplastisches gießfähiges Material, welches in einer Anzahl von früheren Solarpaneelen verwendet wurde. EVA ist ein warmehärtendes Material, welches ebenfalls als Einbettungsmittel verwendet wurde. Eine bestimmte Formulierung von EVA, die sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, ist die folgende:
1. 10 Teile von Elva-150 Ethylenvinylacetat Mischung (Dupont);
2. 0,2 Teile Naugard Antioxidant (Uniroyal); und
3. 0,5 Teile Lupersol 101 Peroxidvernetzungsmittel (Pennwalt).
Die Schicht 29 kann auch Luft sein. Sie kann auch eine Dreischichtstruktur sein, bestehend aus EVA/Polyester/EVA, wobei die Polyesterschicht hinzugefügt wurde, um die elektrische Isolierung der zwei Solarzellenpaneele zu garantieren.
In Fig. 3 ist ein TFS-Solarzellenpaneel ausführlicher dargestellt. Wie dabei gezeigt wird, enthält das TFS-Solarzellenpaneel 30 ein transparentes Substrat 32, eine transparente leitfähige Oxidschicht 34, die zum Beispiel Zinnoxid (TO), Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid sein kann, eine TFS-Halbleiterschicht 36 und eine andere transparente, leitfähige Oxidschicht 38, die vorzugsweise Zinkoxid ist. Das Substrat 32 kann irgendein transparentes isolierendes Material wie Glas oder irgend ein geeignetes transparent es Kunststoffmaterial sein. Glas ist wegen seiner Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber hohen Prozeßtemperaturen und seiner gewünschten optischen Eigenschaften bevorzugt.
Die transparente leitfähige Schicht 34 kann irgendein leitfähiges Oxid sein, beispielsweise Zinnoxid oder Inidumzinnoxid. Der TFS-Halbleiter 36 kann wie dargestellt eine p-Schicht, eine i-Schicht und eine n-Schicht umfassen oder eine p- und eine n-Schicht oder kann eine einzelne Schicht sein, in welcher ein Konzentrationsgradient eines Dotierungsmittels eine Zuordnung eines p- und eines n-Charakters zu unterschiedlichen Teilen der Schicht zu Folge hat oder kann ein pin-pin- Typ Halbleiterstapel sein.
In dem in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein TFS-Halbleiter 36 gezeigt, der eine p-Schicht 33, eine i-Schicht 35 und eine n-Schicht 37 umfaßt. Die p- Schicht 33 umfaßt bordotiertes TFS, welches zum Beispiel eine mit Bor dotierte, hydrogenierte Siliziumkohlenstofflegierung sein kann. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die p-Schicht ca. 60 bis 70 Atomprozent Silizium, ca. 20 Atomprozent Kohlenstoff, ungefähr 10 bis 20 Prozent Wasserstoff und den Bruchteil eines Atomprozents von Bor als Dotierstoff enthalten. Die Dicke der p-Schicht kann ungefähr 7 bis 30 Nanometer (70 bis 300 Angström) betragen. Die i-Schicht 35 besteht aus einer Silizium-Wasserstoff-Legierung, welche ungefähr 85 bis 95 Atomprozent Silizium und ungefähr 5 bis 15 Atomprozent Wasserstoff enthalten kann. Die i-Schicht kann ungefähr 150 bis 750 Nanometer (1.500 bis 7.500 Angström) in der Dicke betragen. Die n-Schicht 37 enthält eine Phosphor enthaltende Siliziumwasserstofflegierung. Diese Schicht kann ungefähr 85 bis 95 Atomprozent Silizium, ungefähr 5 bis 15 Atomprozent Wasserstoff und den Bruchteil eines Atomprozents bis einige Atomprozent an Phosphor enthalten. Die Dicke der n-Schicht kann ungefähr 7 bis 80 Nanometer (70 bis 800 Angström) betragen.
Die transparente leitfähige Schicht 38 ist Zinkoxid und enthält bestimmte Zusätze. Solche Zusätze wie Wasserstoff oder ein Gruppe III-Element wie Bor, Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium können in Abhängigkeit von dem gewünschten spezifischen Widerstand und den gewünschten thermischen Eigenschaften verwendet werden. Zum Beispiel ist ein Wasserstoff enthaltendes Zinkoxid thermisch weniger stabil als ein Aluminium enthaltendes Zinkoxid, während ein Aluminium enthaltendes Zinkoxid einen etwas höheren spezifischen Widerstand als ein Wasserstoff enthaltendes Zinkoxid besitzt. Wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird, werden Spurenanteile von Additiven benutzt. Die Dicke der transparenten leitfähigen Schicht kann ungefähr 10 bis 6.000 Nanometer (100 bis 60.000 Angström) betragen, wobei ungefähr 200 bis 1.500 Nanometer (2.000 bis 15.000 Angström) bevorzugt sind.
Die verschiedenen photoleitfähigen und anderen Schichten können auf dem Substrat durch Glimmentladungstechnik, Sputtern oder durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden werden.
Die p-Schicht kann beispielsweise einfach gebildet werden, indem man eine Mischung von Silan, Methan und Diboran in eine Glimmentladungskammer in einer solchen Zusammensetzung einleitet, die die gewünschte p-Schichtzusammensetzung ergibt. Die Abscheidung geschieht bei einem Druck von ungefähr 13 bis 133 Pa (ungefähr 0,1 bis 1,0 Torr) und bei einer Temperatur von ungefähr 150 bis 300ºC. Die Abscheidung wird für eine ausreichende Zeitdauer fortgesetzt um eine Schicht der gewünschten Dicke zu erzeugen. Eine p-Schicht mit einem Bandabstand (E&sub0;&sub4;) zwischen ungefähr 1,9 und 2,0 EV, einer Dunkelleitfähigkeit von ungefähr 10&supmin;&sup6; (Ohm-cm)&supmin;¹ und einer Photoleitfähigkeit von ungefähr 10&supmin;&sup5; (Ohm-cm)&supmin;¹ kann auf diese Weise erhalten werden. Nach Abscheidung der p-Schicht wird die Glimmentladungskammer gespült, um jegliche Verunreinigung der i-Schicht zu vermeiden, die als nächstes abgeschieden wird.
Die Abscheidung der i-Schicht wird dann vorgenommen durch Evakuierung der Kammer und Wiederbefüllen mit reinem Silangas. Dann wird die Abscheidung bei einem Druck von ungefähr 13 bis 133 Pa (ungefähr 0,1 bis 1,0 Torr) und bei einer Temperatur von ungefähr 150 bis 300ºC fortgesetzt. Im Anschluß an die Abscheidung der i-Schicht wird die Kammer ausgepumpt und vor der Abscheidung der n-Schicht wieder befüllt.
Um die gewünschte, die n-Schicht bildende und Silizium und Phosphor enthaltende Zusammensetzung abzuscheiden, werden Silan und eine Mischung von Phosphin in einem Inertgas bei einem Druck von ungefähr 13 bis 133 Pa (ungefähr 0,1 bis 1,0 Torr) und bei einer Temperatur von ungefähr 150 bis 300ºC durch die Kammer geleitet.
Die transparente leitfähige Schicht 38 ist vorzugsweise eine Zinkoxidschicht mit hohem Bandabstand, die gegenüber Wellenlängen im sichtbaren Bereich von 300 bis 1.300 Nanometern transparent ist. Zinkoxid kann leicht auf dem Photoleiter durch Sputtern bei einem Druck im Bereich von ungefähr 0,65 bis 2,67 Pa (ungefähr 5 bis 20 Milli-Torr) und bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 25 bis 250ºC wobei eine transparente Schicht in einer Dicke von ungefähr 10 bis 6.000 Nanometer (100 bis 60.000 Angström) und vorzugsweise von ungefähr 200 bis 1.500 Nanometer (2.000 bis 15.000 Angström) erhalten wird. Wenn Wasserstoffeinschluß gewünscht wird, sollte der Wasserstoffdruck im Bereich von ungefähr 1,3 mPa bis 10,7 mPa (ungefähr 0,01 bis 0,08 Milli-Torr) liegen und vorzugsweise 5,3 mPa (0,04 Milli-Torr) betragen. Wenn Aluminiumeinschluß gewünscht wird, sollte der Aluminiumgehalt im Bereich von ungefähr 0,2 bis 10 Gewichtsprozent liegen, wobei 0,5 bis 5 Gewichtsprozent bevorzugt sind. Die erhaltene transparente, leitfähige Schicht ist stark leitend, hat einen spezifischen Widerstand im Bereich von ungefähr 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;² Ohm-cm. Wenn das Zinkoxid Wasserstoff enthält, hat die bei einer Temperatur von ungefähr 25 bis 90ºC abscheidbare sich daraus ergebende ZnO (H) Schicht einen spezifischen Widerstand im Bereich von ungefähr 6·10&supmin;&sup4; bis 1·10&supmin;³ Ohm-cm ergeben. Eine Aluminium enthaltende Zinkoxidschicht kann in Abhängigkeit vom benutzten Verfahren sowohl bei etwas höheren Temperaturen als auch bei Raumtemperatur abgeschieden werden. Die ZnO(Al) Schicht hat einen spezifischen Widerstand von ungefähr 8·10&supmin;&sup4; bis 1·10&supmin;³ Ohm-cm. Es ist auch möglich, die beiden Stoffe Wasserstoff und Aluminium in die Zinkoxidschicht einzubauen. Wasserstoffdrücke im Bereich von ungefähr 1,3 mPa bis 10,7 mPa (ungefähr 0,01 bis 0,08 Milli-Torr) und ein Aluminiumgehalt im Bereich von ungefähr 0,2 bis 10 Gewichtsprozent sind geeignet. Ein Wasserstoffdruck von ungefähr 5,3 mPa (ungefähr 0,04 Milli-Torr) und ein Aluminiumgehalt von ungefähr 0,5 bis 5 Gewichtsprozent sind bevorzugt. Die ZnO(HaAl)-Schicht weist einen spezifischen Widerstand im Bereich von ungefähr 3·10&supmin;&sup4; bis 6·10&supmin;&sup4; Ohm-cm auf.
Die ZnO(H)-Schicht ist weniger temperaturstabil als die ZnO (Al)-Schicht. Die bei Umgebungstemperaturen abscheidbare ZnO (H, Al)-Schicht hat gezeigt, daß sie bei Temperaturen bis hin zu 250ºC in Luft stabil bleibt.
Besonders bevorzugt ist die Abscheidung der Zinkoxidschicht durch chemische Dampfabscheidung.
Das Verfahren wird durchgeführt durch Einleitung einer Organozinkverbindung, eines Oxidationsmittels und eines gewünschten flüchtigen Additivs in eine Kammer, die das gewünschte Substrat enthält- welches auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 60 bis 350ºC, vorzugsweise 100 bis 200ºC und insbesondere auf eine Temperatur von ungefähr 150ºC aufgeheizt ist. Durch das Aufheizen des Substrats wird die Abscheidung von Zinkoxid auf den Wänden der Kammer vermieden. Außerdem findet die Abscheidung nur auf den Gebieten des Substrats statt, die geheizt werden, wodurch es möglich gemacht wird, eine Zinkoxidschicht auf der gesamten Oberfläche des Substrats oder nur aufausgewählten Teilen davon abzuscheiden.
Das System zur Abscheidung von Zinkoxidfilmen verwendet eine Kammer, die einen geheizten Tisch, Mittel zum Einleiten der Reagenzien in gasförmigem Zustand in die Kammer und ein regelbares Pumpsystem zur Schaffung eines dynamischen Gasflusses durch die Kammer enthält. Eine Organozinkverbindung und ein Oxidationsmittel werden mittels getrennter Ströme eines inerten Trägergases in die Kammer eingebracht. Das Mischen der Organozinkdämpfe und des Oxidationsmittels findet vor dem Kontakt mit geheizten Oberfläche des Substrats im Raum zwischen ihrer Einleitungsstelle und der Oberfläche des geheizten Substrates statt. Die Reaktion zwischen der Organozinkverbindung und dem Oxidationsmittel hat eine Zersetzung der Oganozinkverbindung zur Folge und produziert Zinkoxid, welches auf der Oberfläche als dünner Film aufwächst, wobei CO&sub2;, CO und flüchtige Kohlenwasserstoffe mögliche Nebenprodukte der Reaktion sind. Der Zinkoxidfilm enthält Wasserstoff und kann ein Gruppe III-Element enthalten, wenn eine flüchtige Verbindung eines Gruppe-III-Elements ebenfalls in die Abscheidungskammer eingebracht wird. Geeignete Organozinkverbindungen umfassen Zinkdialkyle der Formel R&sub2;Zn, wobei R ein Alkylradikal, vorzugsweise ein niederes Alkylradikal ist. Dimethylzink (CH&sub3;)&sub2;Zn und Diethylzink (C&sub2;H&sub5;)&sub2;Zn sind besonders bevorzugt.
Geeignete Oxidationsmittel umfassen Wasser, Sauerstoff, Ozon, Wasserperoxid, NO, N&sub2;O, NO&sub2;, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und andere, Sauerstoff enthaltende Gase sowie organische, Sauerstoff enthaltende Verbindungen. Stellvertretend für geeignete organische, Sauerstoff enthaltende Verbindungen sind Alkohole mit der Formel ROH, Ether mit der Formel R-O-R'; Aldehyde mit der Formel R-CO-H, Ketone mit der Formel R-CO-R', Carbonsauren mit der Formel R-COOH, Ester mit der Formel R-CO-OR'; Amide mit der Formel R-CO-NH&sub2;; Sulfoxide mit der Formel R-SO- R', wobei R und R' Alkyle und vorzugsweise niedrige Alkyle sind, um nur einige der möglichen organischen Oxidationsmittel zu nennen, die verwendet werden können.
Die Zusammensetzung der Gasströme kann verändert werden. Der Organozinkdampf wird hergestellt durch Verdampfen der Organozinkverbindung in den Gasstrom hinein, zum Beispiel mittels Durchleitens eines Stroms von Inertgas durch einen Vorratsbehälter einer Organozinkverbindung. Andere Verdampfungsverfahren sind gleichermaßen wirkungsvoll. Der Molenbruch der Organozinkverbindung in seinem Trägergasstrom kann bis zu ungefähr 0,5 betragen. Ein Molenbruch von ungefähr 0,2 ist besonders bevorzugt.
Das Oxidationsmittel wird mittels einer geeigneten Methode in ähnlicher Weise in die Abscheidekammer eingebracht. Ein effektives Verfahren zur Einbringung von Wasserdampf ist zum Beispiel das Einblasen von Inertgas durch einen Vorratsbehälter von deionisiertem Wasser, um eine Mischung von Inertgas und Wasserdampf zu erzeugen. Der Molenbruch von Wasserdampf oder einem anderen Oxidationsmittel in seinem Trägergasstrom kann bis zu ungefähr 0,5 betragen.
Das Verhältnis von Oxidationsmitteln zur Organozinkverbindung kann in Abhängigkeit von den gewünschten besonderen Eigenschaften des Zinkoxidfilms geändert werden. Im allgemeinen ist ein Überschuß an Oxidationsmittel anzustreben. Unter einem Überschuß an Organozinkverbindung abgeschiedene Filme haben einen merklich höheren spezifischen Widerstand und zeigen nur eine schlechte Haftung auf dem Substrat. Ein Anteil von ungefähr 1 bis 3 Molen Oxidationsmittel pro Mol Organozinkverbindung kann verwendet werden. Die Flußraten der Mischung von Inertgas und Organozinkverbindung und der Mischung des Inertgases und des Oxidationsmittels können variiert werden in Abhängigkeit von den speziellen Molverhältnissen und den Partialdrucken der Reaktanden, die auf der Oberfläche des Substrats reagieren sollen. Wenn zum Beispiel Sprudler (bubblers) verwendet werden, um die Reaktanden einzubringen, sollten die Flußraten der Mischung von Inertgas und Organozinkverbindung sowie von Inertgas und Oxidationsmittel im Bereich von ungefähr 54 bis 108 SCCM/m² (ungefähr 5 SCCM bis 100 SCCM pro Quadratfuß) bezüglich der Abscheideoberfläche betragen.
Das als Träger für den Organozinkdampf und das Oxidationsmittel verwendete Inertgas kann irgend ein Inertgas sein, beispielsweise Argon oder Helium, oder irgend ein Gas, welches unter den in der Abscheidekammer vorherrschenden Bedingungen inert ist wie Stickstoff.
Drücke innerhalb der Abscheidekammer im Bereich von ungefähr 13 bis 267 Pa (ungefähr 0,1 bis 2 Torr) erleichtern erwiesenermaßen den Abscheidungsprozeß. Die Drücke können durch Kontrolle der Gasströme mit den Reaktanden oder mittels eines regelbaren Pumpensystems variiert werden. Ein wie oben beschrieben abgeschiedenes, Wasserstoff enthaltendes Zinkoxid zeigte einen spezifischen Widerstand im Bereich von ungefähr 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;² Ohm-cm und eine Lichtdurchlässigkeit von mehr als 90 Prozent. Der spezifische Widerstand kann durch Zusatz von Gruppe III-Elementen zum Zinkoxidfilm verringert werden. Zum Beispiel kann Aluminium mittels Trimethylaluminium (CH&sub3;)&sub3;Al eingebracht werden. In ähnlicher Weise kann Bor mittels Diboran B&sub2;H&sub6; eingebaut werden. Gallium und Inidum können ebenso als Zusätze verwendet werden. Die Hinzufügung von ungefähr 1 bis 4 Mol Prozent (bezogen auf den Organozinkdampfgehalt) des oder der ausgewählten Zusätze ist wünschenswert. Ein Zusatz von ungefähr 2 Mol Prozent ist bevorzugt. Wenn Bor in den Zinkoxidfilm eingebaut werden soll, wird Diboran in den Organozinkdampf oder unabhängig davon in die Abscheidekammer eingeführt. Vor enthaltende Zinkoxidschichten haben spezifische Widerstände im Bereich von ungefähr 1·10&supmin;³ Ohmcm bis 2·10&supmin;² Ohm-cm gezeigt.
Abscheideraten von ungefähr 20 Nanometer (200 Angström) pro Minute bei 125ºC sind leicht erreichbar. Die Abscheideraten werden durch die Abscheidetemperatur und ebenso durch die Gasflußraten und die Partialdrücke der Reaktanden kontrolliert. Zinkoxidfilme können bis zu jeglicher gewünschter Dicke durch Kontrolle der Zeit und der Abscheiderate abgeschieden werden. Typische Filme sind 1.000 bis 2.000 Nanometer (10.000 bis 20.000 Angström) dick. Das polykristalline Zinkoxid zeigt eine Röntgenstrahlbeugung, die einer bevorzugten (002) Orientierung in bezug auf die Substratebene entspricht.
Mit Hilfe eines wie oben beschriebenen Verfahrens ist es daher möglich, große Flächen an Zinkoxid abzuscheiden und deren spezifischen Widerstand zu steuern. Auf diese Weise können zum Beispiel leitfähige zinkoxidschichten zur Verwendung in Solarzellen abgeschieden werden. In Abhängigkeit von dem jeweiligen, im Verfahren verwendeten Zusatz ist es auch möglich, andere Zinkoxidschichten zur Verwendung in photoleitenden Bauelementen herzustellen, die andere physikalische und elektrische Eigenschaften besitzen.
Bei all den Zinkoxidschichten und Wasserstoff oder ein oben beschriebenes Gruppe III-Element enthaltenden Zinkoxidschichten lag die Transmission der Schichten bei über 90 Prozent mit einem Brechungsindex von ca. 2,0.
Ein CIS-Solarzellenpaneel wird in Fig. 4 näher beschrieben. Wie dort gezeigt wird, enthält das Solarzellenpaneel 40 eine wiederohmige Zinkoxidschicht 42 und eine hochohmige Zinkoxidschicht 44. Die niederohmige Zinkoxidschicht 42 kann einen spezifischen Widerstand im Bereich von ungefähr 1·10&supmin;³ bis 2x10&supmin;³ Ohm-cm und eine Dicke von ungefähr 500 bis 2.000 Nanometer (5.000 bis 20.000 Angström) besitzen. Die hochohmige Zinkoxidschicht 44 kann einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,1 bis 0,2 Ohm-cm und eine Dicke von ungefähr 10 bis 200 Nanometer (100 bis 2.000 Angström) besitzen. Die hochohmige Zinkoxidschicht 44 ist im wesentlichen reines Zinkoxid, während die niederohmige Zinkoxidschicht 42 geringe Anteile von wirksamen Zusätzen enthält, die ein relativ niederohmiges Zinkoxidmaterial erzeugen. Das CIS-Solarpaneel 40 enthält weiterhin einen CIS-Halbleiter 46, eine Metallschicht 48 und ein Substrat 49. Das Substrat 49 ist irgend ein Isolator, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Die Metallschicht 48 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel Molybdän, welches durch Sputtern auf ein Substrat 49 bis zu einer Dicke von ungefähr 200 bis 2.000 Nanometer (2.000 bis 20.000 Angström) abgeschieden wurde. Die Haftung dieser Schicht auf dem Substrat 49 kann verbessert werden durch Aufsputtern einer dünnen Chromschicht auf das Substrat vor dem Aufsputtern von Molybdän.
Der CIS-Halbleiter 46 ist vorzugsweise ein p-Typ Kupfer-Indium-Diselenid mit einer Dicke von ungefähr 200 bis 2.000 Nanometer (2.000 bis 20.000 Angström). Für verschiedene Zwecke können verschiedene andere Materialien mit der CIS-Schicht legiert werden. Beispielsweise ist es bekannt, daß Aluminium, Gallium, Tellur oder Schwefel in Kupfer-Indium-Diselenid- Filme eingebaut werden können, um den Bandabstand einzustellen. In ähnlicher Weise können die genauen Verhältnisse von Kupfer, Indium und Selen eingestellt werden, um die Eigenschaften der letztendlichen Schicht zu verbessern. Die CIS- Schicht wird wie folgt gebildet: Zunächst wird Kupfer in einer Schichtdicke von ungefähr 200 Nanomer (2.000 Anström) auf der Metallschicht 48 abgeschieden. Danach wird Indium in einer Dicke von ungefähr 400 Nanometer (4.000 Angström) auf der Kupferschicht abgeschieden. Mit diesen Schichtdicken wird ein erstrebtes Atomverhältnis von ungefähr 1,0 erhalten. Die Kupfer und Indiumschichten wurden sowohl durch elektrolytische Abscheidung aus wäßrigen Lösungen als auch durch Sputtern von festen Targets abgeschieden. Nachdem also Kupfer und Indium nach einer der Methoden abgeschieden wurden, wird die Kupfer- Indium-Diselenid-Halbleiterschicht 46 durch Selenisierung gebildet. Dieses Verfahren beinhaltet das Erhitzen des Substrats auf annähernd 400ºC für annähernd eine Stunde in der Anwesenheit eines Gases, welches, verdünnt in Argon, ungefähr 3 Prozent H&sub2;Se umfaßt, und danach ein Halten des Materials bei der gleichen Temperatur für weitere zwei Stunden.
Das bevorzugte Verfahren zur Abscheidung von Zinkoxidfilmen auf der Kupfer-Indium-Diselenid-Schicht ist chemische Dampfabscheidung (CVD) oder noch genauer eine Niedertemperatur CVD (LTCVD). In diesem Verfahren werden die Substrate 49 mit den Filmen 48 und 46 in einer Vakuumkammer auf einem erhitzten Träger angeordnet. Dann evakuiert man die Kammer, stellt die Substrattemperatur auf ungefähr 150ºC ein und läßt sie für ungefähr 20 Minuten sich stabilisieren. Um die hochohmige Zinkoxidschicht 44 auf einem Substrat mit einer Fläche von ungefähr 0,09 m² (ungefähr 1 Quadratfuß) zu bilden, werden reaktive Gase, die 8 SCCM Diethylzink, 10 SCCM H&sub2;O und 186 SCCM Argon umfassen, bei einem Druck von 115 Pa (0,86 Torr) über das Substrat geleitet, während die anfängliche Temperatur beibehalten wird. Die Flußraten von Diethylzink und von H&sub2;O werden über die Flußraten des Inertgasstroms unter Annahme einer Sättigung abgeschätzt. Bei Abscheidezeiten von 2 bis 6 Minuten können hochohmige Zinkoxidschichten abgeschieden werden, deren Dicke im Bereich zwischen ungefähr 70 und 200 Nanometer (700 und 2.000 Angström) liegt. Obgleich die erhaltenen ZnO Filme hier als reines oder annähernd reines ZnO bezeichnet werden, kann angenommen werden, daß das H&sub2;O einigen Wasserstoff zum Material beiträgt und dieser einigen Einfluß auf den spezifischen Widerstand hat. Wenn die gewünschte Dicke der hochohmigen Schicht 44 abgeschieden worden ist, wird mit der Abscheidung der niederohmigen Zinkoxidschicht 42 durch einfaches Ändern der Mischung der reaktiven Gase begonnen. Die Schicht 42 kann beispielsweise aus einem reaktiven Gas gebildet werden, welches 8 SCCM Diethylzink, 10 SCCM H&sub2;O, 0,075 SCCM B&sub2;H&sub6; und 200 SCCM Argon umfaßt. Eine wiederohmige Schicht 42 hat eine Dicke von ungefähr 1.000 Nanometer (10.000 Angström) und kann unter diesen Begingungen in ungefähr 30 Minuten Prozeßdauer abgeschieden werden.
Obgleich oben die spezifischen Eigenschaften für das LTCVD- Verfahren angegeben wurden, können gute Zinkoxidfilme innerhalb eines Bereichs von Bedingungen erhalten werden. Die Substrattemperatur kann von ungefähr 60ºC bis 350ºC schwanken und vorzugsweise zwischen 100 und 200ºC. Sogar bei dem Niveau von 350ºC ist dies ein Niedertemperaturverfahren, verglichen mit anderen Methoden, transparente Leiter abzuscheiden, und ist daher gut zur Verwendung bei Halbleitern geeignet. Der Druck des Vakuumsystems kann von ungefähr 13 bis 267 Pa (ungefähr 0,1 bis 2 Torr) variieren. Die Kammer sollte jedoch fähig sein, ein Hochvakuumniveau zu erzeugen, um alle anwesenden Gase aus der Kammer zu entfernen, bevor die Abscheidebedingungen eingestellt werden. Andere Zinkdialkyle der Formel R&sub2;Zn, wobei R Alkyl ist, beispielsweise Dimethylzink (CH3)&sub2;Zn anstelle von Diethylzink (C&sub2;H&sub5;)&sub2;Zn)wie oben ausgeführt&sub3; können verwendet werden. Andere Sauerstoffquellen wie O&sub2;-Gas, Ozon, Wasserstoffperoxid, Stickstoffmonoxid, Distickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid und organische Verbindungen der Formeln R-OH, R-O-R', R-CO-H, R-CO-R', R-COOH, R-CO-OR', R-CO-NH&sub2; und R-SO- R', wobei R und R' Alkyl sind, können in bevorzugten Ausführungsbeispielen anstelle von Wasser verwendet werden. Andere Inertgase wie Helium oder Stickstoff können anstelle von Argon als Träger für die Organozinkverbindung und Wasser dienen. Der Organozinkdampf und das Oxidationsmittel können durch Einblasen des Inertgases durch einen Behälter mit der Verbindung oder mit deionisiertem Wasser oder mittels anderer geeigneter Vorrichtungen in die Vakuumkammer eingebracht werden. Ein Molenverhältnis von Wasser zur Organozinkverbindung größer als 1,0 ist bevorzugt, um die geeigneten Reaktionsbedingungen zu schaffen.
Da es erstrebenswert ist, jedes des Solarzellenpaneele unabhängig herzustellen und dann die Paneele zu einem Dünnschichtsolarzellenmodul zu kombinieren, wird zunächst der Aufbau des TFS-Solarzellenpaneels beschrieben, gefolgt von dem Aufbau des CIS-Paneels. Bezugnehmend auf Fig. 5 bedeuten die Bezugszeichen 50 einen Teil eines TFS-Solarzellenpaneels gemäß der vorliegenden Erfindung. Das TFS-Solarzellenpaneel enthält ein Glassubstrat 52, eine strukturierte, transparente leitfähige Frontelektrode 54, eine durchgehende dünne Schicht 56 eines TFS-Halbleiters und eine strukturierte Zinkoxidrückseitenelektrode 58. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die TCO-Vorderseitenelektrode 54 aus Zinnoxid, welches mit Fluor, Antimon oder anderen Elementen dotiert sein kann. Die Elektrode 58 umfaßt eine Vielzahl von aus einer transparenten leitfähigen Zinkoxidschicht gebildeten Bereichen der Rückseitenelektrode, die durch nichtleitende Zwischenräume 64 voneinander getrennt sind und so angeordnet sind, um im wesentlichen die länglichen photovoltaischen Gebiete des Solarzellenpaneels zu überdecken. Auf der Zinnoxidfrontelektrode 54 ist eine Reihe von verdickten Kontaktbereichen oder erhabenen "Durchstichpunkten" 60. Die Zinnoxidschicht 54 ist strukturiert um eine Vielzahl von transparenten Elektrodenbereichen zu bilden, die durch Zwischenräume 62 voneinander getrennt werden und im wesentlichen unterhalb der jeweiligen photovoltaischen Bereiche liegen. Die photovoltaischen Bereiche sind also wirkungsvoll zwischen Bereichen der Rückseitenelektrode und der Frontelektrode eingebettet, um den innerhalb der Bereiche erzeugten Strom zu sammeln. Außerdem überlappt jeder der Frontelektrodenbereiche teilweise den Rückelektrodenbereich eines benachbarten photovoltaischen Bereiches in einem vorbestimmten Bereich, der zwischen den Zwischenräumen 62 und 64 liegt.
Ein wesentliches Merkmal dieses Aufbaus ist das Vorhandensein von im wesentlichen senkrecht durch die aktive Dünnschicht 56 reichenden leitfähigen Pfaden zwischen jedem Fronelektrodenbereich und dem Rückelektrodenbereich eines benachbarten photovoltaischen Bereiches. Die Untereinanderverschaltung wird im Bereich der Elektrodenüberlappung durchgerührt, um die photovoltaischen Bereiche elektrisch miteinander in Serie zu verschalten, ohne die Schicht zu strukturieren oder anderweitig zu unterbrechen.
In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchstichpunkte 60 relativ zu der TFS-Schicht 56 groß genug, um die TFS-Schicht 56 derart zu stören, daß relativ dünne Bereiche erzeugt werden, welche unfähig sind, der Zellspannung zu wiederstehen. So veranlassen die Durchstichpunkte 60 einen elektrischen Kurzschluß durch die TFS-Schicht 56. Elektrische Leitung findet dann durch die relativ dünne Bereiche statt, die infolge der Störung der TFS-Schicht 56 entstanden sind. Es ist vorteilhaft, wenn die Durchstichpunkte an ihrer oberen Oberfläche so rauh wie möglich sind, um das elektrische Feld zu bündeln und um den Widerstand der durch die Durchstichpunkte in der TFS-Schicht 56 gebildeten relativ dünnen Bereiche weiter zu reduzieren.
Die Durchstichpunkte 60 sind vorzugsweise annähernd 25 um dick und die TFS-Schicht 56 ist vorzugsweise ungefähr 300 bis 900 Nanometer (3.000 bis 9.000 Angström) dick. Die strukturierte, transparente, leitfähige Zinnoxidschicht 54 ist vorzugsweise ungefähr 300 bis 1.000 Nanometer (3.000 bis 10.000 Angström) dick, während die transparente leitfähige Zinkoxidschicht 58 vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 200 bis 1.500 Nanometer (2.000 bis 15.000 Angström) aufweist. Im Bereich der Durchstichpunkte 60 ist die TFS-Schicht 56 sandwichartig eingebettet zwischen einem Paar von leitfähigen Elementen und sind die Durchstichpunkte 60 zumindest zweimal dicker als der dickste Teil der TFS-Schicht 56. Dies erzeugt wie oben ausgeführt im Bereich eines jeden Durchstichpunktes einen wirksamen Kurzschluß in der Schicht, schließt aber die Solarzellen selbst nicht kurz, weil die TFS-Schicht 56 einen hohen Schichtwiderstand besitzt, der in der Nachbarschaft 1·10&sup8; Ohm per Square beträgt, verglichen mit ungefähr 1 bis 15 Ohm per Square für die transparenten leitfähigen Zinnoxid- und Zinkoxidschichten. Der Schichtwiderstand eleminiert scheinbar den Strom innerhalb der Schicht ebene und erlaubt nur annähernd senkrechten Stromfluß in den photovoltaischen Bereichen, welcher über die Elektroden geleitet wird und die photovoltaischen Bereiche im Gebiet der Überlappung durchquert.
Obwohl mit der beschriebenen Struktur in vielen Fällen ein Kurzschluß durch die TFS-Schicht 56 erreicht werden kann, ist es manchmal vorteilhaft, eine lokalisierte Leitung durch die TFS-Schicht 56 durch Einwirken von Hitze auf das TFS-Solarzellenpaneel 50 in der Form von Laserpulsen zu verstärken. In dem Fall, in dem die Durchstichpunkte 60 relativ hoch, schmal und rauh sind, kann solch eine Hitzewirkung eine Dispersion des Rückelektrodenmaterials und möglicherweise des Materials der Durchstichpunkte 60 in und durch die TFS-Schicht 56 bewirken. Der daraus resultierende aufgeschmolzene Bereich ist leitfähiger als der übrige Bereich der Schicht und verstärkt die elektrische Verbindung der Zellen. Die Verwendung von Laserpulsen gewährleistet, daß der übrige Bereich der TFS- Schicht nicht von der Hitze beeinflußt wird und keine Diffusion des Rückelektrodenmaterials erfährt, während ein gewünschtes Vermischen im Bereich der Überlappung erzielt wird, wie in Fig. 5 dargestellt, wo ein Laserstrahl auf den Punkt der Rückelektrode gerichtet wird, an dem der Durchstichpunkt 60 eine Verformung der Rückelektrode 58 bewirkt.
Das Herstellverfahren der TFS-Solarzellenpaneele wurde oben allgemein beschrieben im Hinblick auf den Aufbau des Paneels, mit Ausnahme der Durchstichpunkte 60 und der Zwischenräume 62 und 64. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Durchstichpunkte 60 mit Siebdruck auf ein mit Zinnoxid beschichtetes Glas aufgedruckt und eingebrannt. Die transparente leitfähige Zinnoxidschicht wird dann mit einem Laser beschrieben, um die Zwischenräume 22 zu erzeugen. Anschließend wird die TFS-Schicht 56 wie oben beschrieben aufgebracht. Nach dem Bedrucken der TFS-Schicht 56 mit einem anorganischen Maskierungsmittel wird anschließend darauf eine transparente leitfähige Zinkoxidschicht 58 abgeschieden, woraufhin das Maskierungsmittel abgelöst wird, wobei die Zwischenräume 64 entstehen. Alternativ können die Zwischenräume 64 durch Laserschreiben oder mittels eines elektrochemischen Ätzprozesses mit einem Jet erzeugt werden. Der letzte Schritt im Herstellen der TFS-Solarzellenpaneele ist das in Fig. 5 dargestellte Laserschweißen, welches wie oben beschrieben die TFS-Schicht 56 im Bereich der Durchstichpunkte kurzschließt.
Ein Dünnschicht CIS-Paneel 70 ist in Fig. 6 dargestellt, wo auf einem Glassubstrat eine Chromschicht 74 und eine Molybdänschicht 76 abgeschieden werden. Eine CIS-Schicht 78 ist auf der Molybdänschicht 76 abgeschieden und die transparente leitfähige Zinkoxid 80 ist abgeschieden auf der CIS-Schicht 78. Der Zwischenraum 82 ist in der Molybdänschicht 76 und der Chromschicht 74' und der Zwischenraum 84 in der Zinkoxidschicht 80 und in der CIS-Schicht 78 vorgesehen. Das geschweißte Gebiet 86 wird als durch die Zinkoxidschicht 80 und die CIS-Schicht 78 reichend dargestellt. Das Verschweißen kann beispielsweise mit Hilfe eines Laserstrahls 90 vorgenommen werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines CIS-Dünnschichtsolarzellenpaneels wurde im Vorangehenden allgemein beschrieben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Chromschicht 74 und die Molybdänschicht 76 auf ein Glassubstrat 70 gesputtert, welches zum Beispiel ein 2 mm dickes getempertes Glas ist. Die Chromschicht 74 wird vorzugsweise in einer Dicke von ungefähr 50 Nanometer (500 Angström) und die Molybdänschicht 76 vorzugsweise in einer Dicke von ungefähr 200 bis 2.000 Nanometer (2.000 bis 20.000 Angström) abgeschieden. Der Zwischenraum 82 wird durch Laserschreiben durch die Molybdänschicht 76 und die Chromschicht 74 erzeugt. Die CIS-Schicht 78 wird vorzugsweise in einer Dicke von ungefähr 200 bis 2.000 Nanometer (2.000 bis 20.000 Angström) wie oben beschrieben erzeugt, nämlich durch Sputtern von Kupfer und Indium und anschließendem Selenisieren, woraufhin anschließend die Zinkoxidschicht 80 abgeschieden wird. Wie oben ausgeführt wird zunächst eine hochohmige Zinkoxidschicht in einer Dicke von ungefähr 10 bis 200 Nanometer (100 bis 2.000 Angström) und dann eine niederohmige Zinkoxidschicht in einer Dicke von ungefähr 500 bis 2.000 Nanometer (5.000 bis 20.000 Angström) abgeschieden. Der Zwischenraum 84 wird durch mechanisches Schreiben hergestellt. Ein Laserschweißen unter Verwendung eines Laserstrahls 90 wird dann im Gebiet der Zwischenräume 82 und 84 durchgeführt, um einen Kurzschluß durch die CIS- Schicht 78 zu erzeugen.
Der letzte Schritt in der Herstellung des Dünnschichtsolarzellenmoduls dieser Erfindung ist das Verbinden des TFS-Solarzellenpaneels mit dem CIS-Solarzellenpaneel. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird eine Schicht eines Dielektrikums 29 verwendet, um das TFS-Solarzellenpaneel von dem CIS-Solarzellenpaneel zu trennen. Das Dielektrikum 29 kann Luft sein, in welchem Fall ein geeigneter Rahmen zur Halterung des TFS-Dünnschichtsolarzellenpaneels und des CIS-Dünnschichtsolarzellenpaneels in geeigneter Position zueinander verwendet werden kann. Alternativ wird eine gießfähige Schicht verwendet, wie oben beschrieben.
Dünnschichtsolarzellenmodule, die in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Aufbau und den Verfahren hergestellt wurden, erweisen sich als hocheffizient. Zum Beispiel in der einen Ausführungsform, ähnlich der in der Fig. 2 gezeigten, besitzt das TFS-Solarzellenpaneel eine Stromdichte von 13,2 Milli-Ampere/cm², eine Kurzschlußspannung VOC von 0,88 Volt und einen Füllfaktor von 0,69 mit einem Wirkungsgrad von 8,0 Prozent. Das CIS-Solarzellenpaneel in den Dünnfilmsolarzellenmodul besitzt eine Stromdichte von 16,1 Milli-Ampere/cm², eine Kurzschlußspannung von 0,41 Volt, einen Füllfaktor von 0,64 und einen Wirkungsgrad von 4,2 Prozent. So hat ein die zwei Dünnschichtsolarzellenpaneele umfassendes Dünnschichtsolarzellenmodul einen Wirkungsgrad von 12,2 Prozent.
Obwohl bestimmte spezifische Ausführungen der Erfindung als typisch dargestellt wurden, ist die Erfindung natürlich nicht auf diese besonderen Formen beschränkt, sondern vielmehr auf alle solche Abänderungen anwendbar, die in den Rahmen der Ansprüche fallen. Zum Beispiel können andere Zusammenstellungen von Dünnschichtsolarzellenpaneelen verwendet werden, als die speziell oben aufgeführten, und ebenso andere Mittel zum Verbinden der Solarzellen zur Bildung der Paneele. Außerdem können verschiedene, in die Dünnschichtsolarzellenpaneele eingebaute Serien- und Parallelverschaltungen in dem Dünnschichtsolarzellenmodul der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Claims

1. Dünnschichtsolarzelleninmodul (20), umfassend optisch in Serie angeordnet ein erstes Solarzellenpaneel (30 oder 50) und ein zweites Solarzellenpaneel (40 oder 70), die durch eine transparente Isolierung (29) getrennt sind, wobei das erste Solarzellenpaneel eine Siliziumlegierungshalbleiterdünn- Schicht (36 oder 56) umfaßt und sandwichartig zwischen einer ersten Schicht eines transparenten leitfähigen Oxids (38 oder 58) und einer zweiten Schicht eines transparenten leitfähigen Oxids (34 oder 54) auf einem transparenten Substrat (32 oder 52) angeordnet ist, und wobei das zweite Solarzellenpaneel einen Kupferindiumdiselenid-Halbleiter (46 oder 78) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Solarzellenpaneel, der genannte Kupferindiumdiselenid-Halbleiter, sandwichartig zwischen Zinkoxid (42, 44 oder 80) und einer, auf einem Substrat (49 oder 72) abgeschiedenen, leitfähigen metallischen Schicht angeordnet ist, bei der das genannte Zinkoxid eine erste Zinkoxidschicht (44) und eine zweite Zinkoxidschicht (42) umfaßt, wobei die erste Zinkoxidschicht über dem Kupferindiumdiselenid-Halbleiter liegt, dünner und hochohmiger ist als die zweite Zinkoxidschicht, und die letztere der transparenten Isolierung benachbart ist.

2. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß die zweite Zinkoxidschicht (42) einen spezifischen Widerstand von ungefähr 1·10&supmin;³ bis 2·10&supmin;³ Ohm-cm besitzt.

3. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zinkoxidschicht (44) einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,1 bis 0,2 Ohm-cm besitzt.

4. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zinkoxidschicht (42) eine Dicke von ungefähr 0,5 bis 2 um (5.000 bis 20.000 Angström) besitzt.

5. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zinkoxidschicht (44) eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,2 um (100 bis 2.000 Angström) besitzt.

6. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige metallische Schicht (48 oder 76) Molybdän umfaßt.

7. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige metallische Schicht (76) eine, dem Kupferindiumdiselenid-Halbleiter (78) benachbarte Molybdän- Schicht (76) und eine, dem Substrat (72) benachbarte Chromschicht (74) umfaßt.

8. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite transparente Oxidschicht (34) Zinkoxid, Zinnoxid oder Indiumzinnoxid ist.

9. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste transparente leitfähige Oxidschicht (38 oder 58) Wasserstoff oder ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems enthält.

10. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste transparente Oxidschicht (38 oder 58) Zinkoxid umfaßt.

11. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste transparente Oxidschicht einen spezifischen Widerstand von ungefähr 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;² Ohm-cm besitzt.

12. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Isolierung (29) ein Silikon, Polyvinylbutyral oder Ethylenvinylacetat umfaßt.

13. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Isolierung (29) zwei, von einer Polyester-Schicht getrennte Schichten von Ethylenvinylacetat umfaßt.

14. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der transparenten Isolierung (29) Luft enthalten ist.

15. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, daß die Dünnschicht des Siliziumlegierungshalbleiters (36) ein pin-Typ Halbleiter ist.

16. Dünnschichtsolarzellenmodul (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht des Siliziumlegierungshalbleiters (36) ein pin-pin-Typ Halbleiterstapel ist.