DE69016910T2

DE69016910T2 - Photovoltaische Anordnung und ihr Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE69016910T2
Application number: DE69016910T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Nishi; Porponth Sichanugrist; Hirohisa Suzuki
Original assignee: Showa Shell Sekiyu KK
Current assignee: Showa Shell Sekiyu KK
Priority date: 1989-10-07
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-10-06
Also published as: US5133809A; EP0422511B1; EP0422511A2; EP0422511A3; JPH03124067A; DE69016910D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fotovoltaische Vorrichtung zur Verwendung als Solarzelle, Fotosensor oder ähnliches, und spezieller auf eine fotovoltaische Dünnfilmvorrichtung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten fotovoltaischen Gebieten, und bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen der fotovoltaischen Vorrichtung.
Filmförmige Halbleitermodule, welche herkömmlicherweise als Solarzellen, Fotosensoren usw. verwendet worden sind, weisen eine Dünnfilmkonstruktion auf, in welcher Einheiten, von denen jede eine Anzahl von in Reihe geschalteten fotovoltaischen Gebieten aufweist, in derselben Ebene angeordnet sind, damit die Module so viel Licht wie möglich auf beschränktem Raum einfangen und das Licht in elektrische Energie umwandeln.
Fig. 3 ist eine Aufsicht, welche die Konstruktion einer herkömmlichen amorphen Silizium-(im folgenden a-Si genannt)- Solarzelle darstellt, in welcher Solarzelle Einheitselemente auf einer isolierenden Substratplatte in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Solarzelleneinheitselement eine transparente Elektrodenschicht, eine a-Si-Schicht als amorphe Halbleiterschicht und eine leitende gedruckte Elektrodenschicht als Rückelektrodenschicht, in dieser Reihenfolge aufeinandergelegt, umfaßt. Zu Erläuterungszwecken genannt umfaßt diese a-Si-Solarzelle eine einzelne Glassubstratplatte 1, und darauf eine transparente Elektrodenschicht 2(21-23), eine a-Si-Schicht 3(31-33) und eine leitende gedruckte Elektrodenschicht 4(41-43), wodurch eine Vielzahl von Solarzelleneinheitselementen gebildet wird. Diese Solarzelleneinheitselemente sind in Reihe geschaltet durch Bringen der leitfähigen gedruckten Elektrodenschicht in einem Element in Kontakt mit der transparenten Elektrodenschicht eines benachbarten Elementes.
Beim Herstellen dieser Art von Solarzelle wird zuerst ein transparenter leitfähiger Film, wie etwa ein ITO (Indiumzinnoxid) oder SnO&sub2; (Zinnoxid) Film oder ähnliches über einer Glassubstratplatte 1 mit einer Dicke von ungefähr 500 bis 10.000 Å (10 Å = 1 nm) durch Elektronenstrahldampfabscheidung, Sputtern oder das thermische CVD-Verfahren gebildet. Dann wird eine transparente Elektrodenschicht 2 durch Strukturieren des transparenten leitfähigen Films mittels eines Laserstrahls oder mittels Bildens eines strukturierten Fotolackes auf dem transparenten leitfähigen Film durch Fotolithografie und Ätzen des resultierenden transparenten leitfähigen Films gebildet.
Dann wird eine a-Si-Schicht 3 gebildet, beispielsweise durch Aufbringen auf der transparenten Elektrodenschicht 2 einer p- Typ a-Si-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 200 Å, einer undotierten a-Si-Schicht mit 0.2-1 um, und einer n-Typ a-Si- Schicht von ungefähr 500 Å, mittels der Plasmaentladungszersetzung von Silangasen. Das p-Typ a-Si- wird erhalten durch Dotieren von Bor- und Kohlenstoff, während das n-Typ a-Si erhalten wird durch Dotieren von Phosphor. Die so gebildete a-Si-Schicht 3 wird in Gebiete 31, 32 und 33 mittels eines Laserstrahls strukturiert oder unterteilt. Dann wird eine strukturierte leitfähige Rückelektrodenschicht 4 mittels Drucken gebildet, um eine Solarzelle herzustellen. Wenn in dem obigen Verfahren für die Strukturierung der a-Si-Schicht ein YAG-Laserstrahl verwendet wird, um den transparenten leitfähigen Film zu strukturieren, welcher eine Länge von 1,06 um aufweist, sollte die Leistung des Laserstrahls erhöht werden wegen der niedrigen Absorbanz der a-Si-Schicht, und eine Strukturierung der a-Si-Schicht mit so einem Hochleistungslaserstrahl beschädigt die transparente Elektrodenschicht an den in Fig. 3 gezeigten Gebieten 26 und 27, welche dem Laserstrahl ausgesetzt sind. Um solch ein Problem zu vermeiden, wurde herkömmlicherweise ein YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 0,53 um verwendet, der von a-Si-Schichten gut absorbiert wird, um a-Si-Schichten zu strukturieren. Deshalb war herkömmliche Strukturierung nachteilig darin, daß der Laser notwendigerweise eine komplizierte Struktur aufweist, weil er so konstruiert sein sollte, Laserstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen, die jeweils für transparente leitfähige Filme und a-Si-Schichten geeignet sind, auszusenden, und daß eine gute Reproduzierbarkeit nicht erhalten wird, weil die Reflektanz abhängig vom Zustand von a-Si-Schichtoberflächen variiert.
Aus JP-A-62-89368 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzellenvorrichtung bekannt, gemäß welchem erste Elektroden mittels Abscheidens eines lichtdurchlässigen leitfähigen Films aus lndiumoxid, Zinnoxid oder ähnlichem auf einem isolierenden Substrat vorgesehen werden. Eine amorphe Halbleiterschicht wird auf den ersten Elektroden vorgesehen durch der Reihe nach Abscheiden von amorphem P-Typ Si, amorphem I-Typ Si und amorphem N-Typ Si mittels Plasma-CVD, um einen p-i-n-Übergang zu bilden. Danach werden zweite Elektroden vorgesehen durch Aufbringen von Al, Ti oder ähnlichem. YAG-Laserstrahlen werden durch die amorphe Si- Schicht in ein Gebiet gebracht, wo sich das Ende jeder ersten Elektrode mit dem Ende der benachbarten zweiten Elektrode überlappt. Die Schichten der ersten Elektrode, des amorphen Si und der zweiten Elektrode werden zusammengeschweißt; dadurch werden die einzelnen Elemente der Solarzellenvorrichtung elektrisch in Reihe geschaltet.
Der in dem Schweißgebiet der drei Schichten gebildete leitfähige Pfad sorgt für eine gute elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Elementen. Jedoch leiden Solarzellen dieser Struktur unter Korrosion, insbesondere in dem Gebiet der verschweißten Schichten, wie in dem IEEE Conference Report (1987) "Corrosion of a-Si-Zellen und Modulen", G.R. Mon et al. berichtet wird. Aufgrund von Korrosion verschlechtern sich die Eigenschaften der Vorrichtung.
JP-A-161963 offenbart die Bildung von leitfähigen Pfaden in Solarzellenvorrichtungen unter Verwendung von Laserbestrahlung, um die amorphe Struktur von Silizium in kristallin umzuwandeln.
Im Hinblick auf das vorangehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer fotovoltaischen Vorrichtung und die fotovoltaische Vorrichtung selbst vorzusehen, welche hohe Zuverlässigkeit und stabile Eigenschaften aufweist.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer fotovoltaischen Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des obigen Verfahrens werden leitfähige gedruckte Elektrodenschichten aus einer Paste gebildet, welche einen Harzbinder und Ni- Teilchen als Füller enthält.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des obigen Verfahrens werden die beabstandeten transparenten Elektrodenschichten gebildet durch Strukturieren eines auf der Substratplatte gebildeten, transparenten leitfähigen Films, wobei die Strukturierung durchgeführt wird mittels eines Laserstrahls mit derselben Wellenlänge wie die des für die Bildung der leitfähigen Pfade verwendeten Laserstrahls.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des obigen Verfahrens ist die Wellenlänge des Laserstrahls 1,06 um.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch eine fotovoltaische Vorrichtung gemäß Anspruch 5.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die fotovoltaische Vorrichtung so hergestellt, daß der die transparente Elektrodenschicht mit der leitfähigen gedruckten Elektrodenschicht verbindende leitfähige Pfad gebildet werden kann, ohne von dem Oberflächenzustand und der Dicke der amorphen Halbleiterschicht beeinflußt zu werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beschrieben, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, welche zeigen:
Fig. 1(a) bis (d)
sind schematische Darstellungen, welche die Schritte des Verfahrns zum Herstellen einer fotovoltaischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern;
Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Gebiets eines leitfähigen Pfades der Struktur von Fig. 1(d); und
Fig. 3 ist eine Aufsicht, welche die Konstruktion einer herkömmlichen Solarzelle erläutert.
Bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl von der Substratplattenseite wird nicht nur die transparente Elektrodenschicht und die a-Si-Schicht in jedem fotovoltaischen Gebiet, sondern auch die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht in einem benachbarten fotovoltaischen Gebiet erwärmt, und als Ergebnis schmilzt der bestrahlte Abschnitt der transparenten Elektrodenschicht und der leitfähigen gedruckten Rückelektrodenschicht, um eine Legierung zu bilden, welche einen leitfähigen Pfad bilden. Somit wird die transparente Elektrodenschicht in jedem fotovoltaischen Gebiet intern durch den leitfähigen Pfad mit der leitfähigen gedruckten Elektrodenschicht in dem benachbarten fotovoltaischen Gebiet verbunden, wodurch sich eine Solarzelle ergibt. Aufgrund der Bestrahlung mit einem Laserstrahl durch das obige Verfahren können leitfähige Pfade gebildet werden, ohne von dem Oberflächenzustand und der Dicke der a-Si-Schicht beeinflußt zu werden. Weil ferner die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht eine ausreichende Dicke aufweist, können die leitfähigen Pfade so gebildet werden, daß sie sich nicht durch die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht erstrecken, durch Steuern der Leistung des Laserstrahls. Somit können fotovoltaische Vorrichtungen mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Ferner kann die Wellenlänge des in dem Verfahren der Erfindung verwendeten Laserstrahls auf 1,06 um begrenzt werden, was für die Strukturierung der transparenten Elektrodenschicht geeignet ist, und die Bestrahlungsvorrichtung kann einfach konstruiert sein.
Fig. 1(a) bis (d) erläutern die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer amorphen Siliziumsolarzelle als ein Ausführungsbeispiel der fotovoltaischen Vorrichtung dieser Erfindung. In den Fig. 1 und 3 sind ähnliche Abschnitte oder Teile durch gleiche Bezugsziffern oder Symbole bezeichnet. Zuerst wird, wie in Fig. 1(a) gezeigt, ein leitfähiger Film aus SnO&sub2;, der auf einer Glassubstratplatte 1 mit einer Dicke von 800 Å durch thermische CVD gebildet worden ist, mittels eines YAG-Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 1,06 um strukturiert, um eine transparente Elektrodenschicht 2(21-23) zu bilden. Dann wird eine a-Si-Schicht 3 mit einem pin- Übergang mittels des Plasma-CVD-Verfahrens mit einer Dicke von ungefähr 0,8 um gebildet, wie in Fig. 1(b) gezeigt ist. Auf der a-Si-Schicht 3 wird eine leitfähige gedruckte Elektrodenschicht 4(41-43) durch Drucken mit einer Dicke von 10 bis 30 um gebildet, wie in Fig. 1(c) gezeigt ist. Die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht 4 wurde so gebildet, daß sich ein Abschnitt davon mit einem benachbarten Abschnitt der transparenten Elektrodenschicht 2 durch die a-Si-Schicht 3 überlappt. Eine Verbindung zwischen Solarzelleneinheitselementen wird an diesem Abschnitt hergestellt, wo eine leitfähige gedruckte Elektrodenschicht eine benachbarte transparente Elektrodenschicht überlappt. Das heißt, wenn dieser Abschnitt eines jeden fotovoltaischen Gebietes mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,06 um von der Glassubstratplattenseite her bestrahlt wird, wird der bestrahlte Abschnitt der transparenten Elektrodenschicht 2 und einer Si-Schicht 3 erwärmt und zusammen mit dem bestrahlten Abschnitt der leitfähigen gedruckten Elektrodenschicht 4 des benachbarten fotovoltaischen Gebietes geschmolzen, um eine Legierung 6 zu bilden, welche leitfähige Pfade 5 (51 und 52) vorsehen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die leitfähigen Pfade 5 verbinden die leitfähigen gedruckten Elektrodenschichtgebiete 41 und 42 mit dem transparenten Elektrodenschichtgebiet 22 bzw. 23. Somit wird eine a-Si-Solarzelle hergestellt, in welcher Solarzelleneinheitselemente in Reihe geschaltet sind.
Als Material für die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht kann eine Paste verwendet werden, welche Ni-Partikel als Füller und ein Harz als Binder verwendet und in der Lage ist, bei relativ niedriger Temperatur von 150 bis 200ºC gebrannt zu werden.
Als Material für die transparente Elektrodenschicht kann beispielsweise ITO, SnO&sub2; und ZnO verwendet werden.
Als Material für die amorphe Halbleiterschicht kann beispielsweise a-Si und a-Ge verwendet werden.
Eine Solarzelle als Anwendung der fotovoltaischen Vorrichtung dieser Erfindung hat einen Umwandlungswirkungsgrad von 7% oder mehr bei einer Einfallslichtilluminanz von 200 Lux erreicht.
Weil gemäß der vorliegenden Erfindung die Bestrahlung mit einem Laserstrahl zum Bilden von leitfähigen Pfaden zum Verbinden der fotovoltaischen Gebiete durch die isolierende transparente Substratplatte bewirkt wird, wie oben beschrieben, können die leitfähigen Pfade gebildet werden, ohne die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht nachteilig zu beeinflussen, selbst wenn die Leistung des Laserstrahls in gewissem Ausmaß erhöht wird und ohne durch eine Differenz in der Reflektanz der a-Si-Schicht aufgrund einer Veränderung im Oberflächenzustand und Dicke der Schicht beeinflußt zu werden. Deshalb können fotovoltaische Vorrichtungen mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
Weil die leitfähigen Pfade, welche Solarzelleneinheitselemente verbinden, aus einer Legierung hergestellt werden, die durch Bestrahlung von der Substratplattenseite her gebildet wird, und verhindert werden kann, daß diese freigelegt werden, kann die fotovoltaische Vorrichtung eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweisen und stabile Ausgabeeigenschaften und hohen Wirkungsgrad zeigen.
Weil ein Laserstrahl mit einer für die Strukturierung des transparenten Elektrodenfilms geeigneten Wellenlänge für die Bildung der leitfähigen Pfade verwendet werden kann, kann die Bestrahlungsvorrichtung einfacher strukturiert sein, so daß die Herstellungskosten reduziert werden können.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer fotovoltaischen Vorrichtung, mit den Schritten:

- Vorsehen einer Vielzahl von beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) auf einer isolierenden, transparenten Substratplatte (1);

- Bilden einer amorphen Halbleiterschicht (3) auf den beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) und freigelegten Abschnitten der isolierenden transparenten Substratplatte (1), wobei die amorphe Halbleiterschicht einen pin- Übergang aufweist;

- Bilden einer Vielzahl von strukturierten, leitfähigen, gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43 ...) auf der amorphen Halbleiterschicht (3), so daß ein Abschnitt von jeder der leitfähigen, gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43 ...) einen Abschnitt einer benachbarten der beabstandeten transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) überlappt, wodurch Vorrichtungsgebiete definiert werden, die durch die überlappenden Abschnitte der transparenten und gedruckten Elektroden mit dem entsprechenden Abschnitt der amorphen Halbleiterschicht dazwischen gebildet werden;

- Bestrahlen der Vorrichtungsgebiete mit einem Laserstrahl von der Substratplattenseite her, um die Abschnitte der transparenten Elektroden, der amorphen Halbleiterschicht und gedruckten Elektroden, die in den Vorrichtungsabschnitten enthalten sind, zu erwärmen und zu schmelzen, wodurch ein leitfähiger Pfad (51, 52 ...) in jedem der bestrahlten Vorrichtungsgebiete gebildet wird, welcher aus einer Legierung hergestellt ist, die durch das Schmelzen gebildet wird, und welcher sich nicht durch die leitfähige gedruckte Elektrodenschicht (4) erstreckt, und welcher die gedruckte Elektrodenschicht mit der benachbarten, transparenten Elektrodenschicht elektrisch verbindet, wodurch die nicht bestrahlten fotovoltaischen Vorrichtungsgebiete in Reihe geschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43) aus einer Paste gebildet werden, welche einen Harzbinder und Ni-Teilchen als Füller enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beabstandeten transparenten Elektrodenschichten gebildet werden durch Strukturieren eines auf der Substratplatte (1) gebildeten, transparenten, leitfähigen Films (2), wobei die Strukturierung durchgeführt wird mittels eines Laserstrahls mit derselben Wellenlänge wie die des für die Bildung der leitfähigen Pfade (51, 52) verwendeten Laserstrahls.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Laserstrahls 1,06 um beträgt.

5. Fotovoltaische Vorrichtung, mit

- einer isolierenden transparenten Substratplatte (1);

- einer Vielzahl von beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) auf der isolierenden transparenten Substratplatte (1);

- einer auf den beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) und freiliegenden Abschnitten der isolierenden transparenten Substratplatte (1) gebildeten, amorphen Halbleiterschicht (3), wobei die amorphe Halbleiterschicht einen pin-Übergang aufweist;

- einer Vielzahl von strukturierten, leitfähigen gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43 ...), die auf dem amorphen Halbleitergebiet (3) gebildet sind, so daß jede der leitfähigen, gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43) eine benachbarte der beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) überlappt;

- leitfähigen Pfaden (51, 52), welche jede der beabstandeten, transparenten Elektrodenschichten (21, 22, 23 ...) mit der entsprechenden benachbarten der leitfähigen, gedruckten Elektrodenschichten (41, 42, 43 ...) verbinden, wobei die leitfähigen Pfade aus einer durch Schmelzen von Abschnitten von den transparenten Elektrodenschichten, der amorphen Halbleiterschicht und den gedruckten Elektrodenschichten erhaltenen Legierung gebildet sind, und sich die leitfähigen Pfade nicht durch die leitfähige, gedruckte Elektrodenschicht (4) erstrecken.