具有減小的功率損耗的太陽(yáng)能模塊及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能模塊，具有由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)粘接層相互連接的襯底組成的層壓復(fù)合物，在這兩個(gè)襯底之間存在串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料制成的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)的光入射側(cè)上的前電極與背電極之間，其中在每個(gè)吸收區(qū)與粘接層之間存在與前電極不同的擴(kuò)散勢(shì)壘，該擴(kuò)散勢(shì)壘被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層（10）擴(kuò)散到吸收區(qū)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)擴(kuò)散到粘接層中。本發(fā)明還涉及用于制造這樣的太陽(yáng)能模塊的方法。
【專利說(shuō)明】具有減小的功率損耗的太陽(yáng)能模塊及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明處于光伏能量產(chǎn)生的【技術(shù)領(lǐng)域】并且涉及具有減小的由于老化導(dǎo)致的功率損耗的太陽(yáng)能模塊，用于制造該太陽(yáng)能模塊的方法，以及擴(kuò)散勢(shì)壘在這樣的太陽(yáng)能模塊中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]用于將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏層系統(tǒng)充分已知。這些光伏層系統(tǒng)一般稱為“太陽(yáng)能電池(Solarzellen)”。術(shù)語(yǔ)“薄層太陽(yáng)能電池”涉及具有僅幾微米的小厚度的層系統(tǒng)，其需要用于足夠機(jī)械強(qiáng)度的載體襯底。已知的載體襯底包括無(wú)機(jī)玻璃、塑料(聚合物)或金屬，尤其是金屬合金，并且可以依據(jù)相應(yīng)的層厚和特定的材料特性被構(gòu)成為剛性板或可彎曲薄膜。
[0003]就工藝可處理性和效率來(lái)說(shuō),具有由非晶、微晶態(tài)(mikromorphem)或多晶娃、締化鎘(CdTe )、砷化鎵(GaAs )或黃銅礦化合物、尤其是銅-銦/鎵-硫/硒(Cu (In, Ga) (S，Se) 2)制成的半導(dǎo)體層的薄層太陽(yáng)能電池證明是有利的，其中尤其是銅-銦-聯(lián)硒化物(CuInSe2或CIS)由于其與太陽(yáng)光光譜匹配的帶隙以特別高的吸收系數(shù)而突出。
[0004]為了獲得技術(shù)上可用的輸出電壓，將很多太陽(yáng)能電池串聯(lián)地相互布線(verschalten),其中薄層太陽(yáng)能模塊提供(單片)集成地布線的薄層太陽(yáng)能電池的大面積布置的優(yōu)點(diǎn)。在專利文獻(xiàn)中已多次描述了薄層太陽(yáng)能電池的串聯(lián)布線。僅示例性地參照專利文獻(xiàn) DE4324318 Cl。
[0005]一般將用于制造薄層太陽(yáng)能電池的層直接施加到載體襯底上，該載體襯底在其側(cè)與正面的透明覆蓋層通過(guò)增附粘接薄膜連接成耐風(fēng)雨的光伏模塊或太陽(yáng)能模塊。該過(guò)程稱為“層壓”。對(duì)于覆蓋層的材料例如選擇低鐵的鈉鈣玻璃。增附粘接薄膜例如由乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚乙烯(PE)、聚乙烯丙烯共聚物或聚丙烯酰胺(PA)組成。在具有復(fù)合片材結(jié)構(gòu)的薄層太陽(yáng)能模塊情況下，近年來(lái)越來(lái)越多地采用PVB粘接薄膜。
[0006]現(xiàn)在可以在層壓的薄層太陽(yáng)能模塊中觀察到由于老化引起的、串聯(lián)電阻的連續(xù)增力口，該串聯(lián)電阻在幾千運(yùn)行小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之后逐漸過(guò)渡為至少近似恒定的值。串聯(lián)電阻的該增加導(dǎo)致太陽(yáng)能模塊的效率的不期望惡化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]與此相對(duì)地，本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種具有減小的通過(guò)老化引起的功率損耗的太陽(yáng)能模塊。該任務(wù)以及其它任務(wù)根據(jù)本發(fā)明的建議通過(guò)具有并列權(quán)利要求的特征的太陽(yáng)能模塊、用于制造該太陽(yáng)能模塊的方法以及擴(kuò)散勢(shì)壘在這樣的太陽(yáng)能模塊中的應(yīng)用解決。本發(fā)明的有利構(gòu)型通過(guò)從屬權(quán)利要求的特征說(shuō)明。
[0008]根據(jù)本發(fā)明展示了太陽(yáng)能模塊，尤其是薄層太陽(yáng)能模塊。該太陽(yáng)能模塊包括由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)(塑料)粘接層相互連接的襯底組成的復(fù)合物，在這兩個(gè)襯底之間優(yōu)選以集成的形式存在相互串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池、尤其是薄層太陽(yáng)能電池。布置在兩個(gè)襯底之間的太陽(yáng)能電池通過(guò)對(duì)層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化來(lái)制造。由此太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料制成的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)的光入射側(cè)上的前電極與背電極之間。優(yōu)選地，半導(dǎo)體材料由黃銅礦化合物組成，該黃銅礦化合物尤其是來(lái)自銅-銦/鎵-二硫/聯(lián)硒化物(Cu (In, Ga) (S，Se)2)族中的1-1I1-VI半導(dǎo)體(例如銅-銦-聯(lián)硒化物(CuInSe2或CIS))或同族化合物。半導(dǎo)體材料通常被用摻雜物離子、例如鈉離子摻雜。
[0009]優(yōu)選地，在本發(fā)明的太陽(yáng)能模塊中將背側(cè)的載體襯底借助粘接層(例如PVB)與對(duì)于半導(dǎo)體的吸收范圍中的電磁輻射(例如太陽(yáng)光)盡可能可穿透的正面覆蓋層(例如玻璃板)粘接，其中布置在載體襯底上的太陽(yáng)能電池嵌入在粘接層中。
[0010]在此情況下重要的是，在每個(gè)太陽(yáng)能電池的吸收區(qū)與粘接層之間存在擴(kuò)散勢(shì)壘(勢(shì)壘層)，該擴(kuò)散勢(shì)壘被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層擴(kuò)散到吸收區(qū)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)擴(kuò)散到粘接層中。擴(kuò)散勢(shì)壘的材料與前電極的材料不同。擴(kuò)散勢(shì)壘為此目的具有這樣的或合適的層厚，使得水分子和/或摻雜物離子的擴(kuò)散可以被阻擋。層厚取決于擴(kuò)散勢(shì)壘的相應(yīng)材料。
[0011]不限制于理論，假定開(kāi)頭所述的所布線的太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻升高的重要原因是水分子從粘接層擴(kuò)散到太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料中和/或摻雜物離子從吸收區(qū)擴(kuò)散到粘接層中。水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的電特性的改變，因?yàn)橐环矫鎿诫s物離子從半導(dǎo)體材料中轉(zhuǎn)移出，并且另一方面水分子與摻雜物離子在半導(dǎo)體材料中結(jié)合。例如，PVB具有在千分之個(gè)數(shù)位范圍中的水份額，但是該水份額被看作足以在功率損耗方面具有不期望的效果。由此 申請(qǐng)人:首次認(rèn)識(shí)到，在太陽(yáng)能模塊中隨著老化觀察到的功率損耗基于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料電特性由于水分子和/或摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移而導(dǎo)致的改變。通過(guò)粘接物層與吸收區(qū)之間的擴(kuò)散勢(shì)壘，可以有利地至少在很大程度上、尤其是完全阻止水分子和/或摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移，從而太陽(yáng)能模塊的隨著老化出現(xiàn)的功率損耗可以被可靠地和安全地減小。
[0012]為了通過(guò)太陽(yáng)能 電池的擴(kuò)散勢(shì)壘至少不明顯地影響太陽(yáng)能模塊的功率，可以將擴(kuò)散勢(shì)壘的材料選擇為，使得該材料對(duì)于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料的吸收范圍中的電磁輻射(例如太陽(yáng)光)是可穿透的(是透明的)。術(shù)語(yǔ)“可穿透的”在此涉及所觀察的波長(zhǎng)范圍的透射，也就是半導(dǎo)體的吸收范圍(在CIGS 380nm至130nm的情況下)的透射，該透射至少大于70%，優(yōu)選大于80%并且尤其是優(yōu)選大于90%。
[0013]在本發(fā)明的太陽(yáng)能模塊中，原則上可以對(duì)太陽(yáng)能電池的擴(kuò)散勢(shì)壘的材料和層厚自由選擇，只要保證水分子和/或摻雜物離子的擴(kuò)散可以被阻擋并且尤其是至少幾乎完全被阻止。在此一般可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料。優(yōu)選地，擴(kuò)散勢(shì)壘的材料是無(wú)機(jī)材料，這帶來(lái)了良好可加工性的工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闅庀喑练e通過(guò)諸如化學(xué)氣相沉積(CVD=0!emiCal VaporDeposition,化學(xué)氣相沉積)或物理氣相沉積(PVD=￡hysical Vapor Reposition,物理氣相沉積)或?yàn)R射工藝的已知方法是可能的。與此不同，有機(jī)材料典型地需要濕化學(xué)沉積，該濕化學(xué)沉積較難以能集成到用于制造太陽(yáng)能模塊的工藝流程中并且有方法技術(shù)缺點(diǎn)。
[0014]優(yōu)選地，太陽(yáng)能電池的擴(kuò)散勢(shì)壘的無(wú)機(jī)材料是至少一種金屬氧化物。正如 申請(qǐng)人:的試驗(yàn)所展示的，通過(guò)金屬氧化物可以特別有效地阻止水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移。
[0015]有利地，擴(kuò)散勢(shì)壘分別包括至少一個(gè)金屬氧化物覆層和至少一個(gè)金屬氮化物覆層的交替序列，例如至少一個(gè)由錫-鋅氧化物構(gòu)成的覆層和至少一個(gè)由氮化硅構(gòu)成的覆層的交替序列。正如 申請(qǐng)人:的試驗(yàn)所展示的，通過(guò)始終還隨著不同晶粒生長(zhǎng)出現(xiàn)的、不同材料的交替序列可以特別有效地阻止水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移。另一方面，金屬氧化物和金屬氮化物由于非常好的可加工性而突出，其中由金屬氧化物和金屬氮化物構(gòu)成的層可以從氣相或通過(guò)濺射工藝來(lái)沉積，從而擴(kuò)散勢(shì)壘的制造可以相對(duì)簡(jiǎn)單和成本低廉地集成到太陽(yáng)能模塊的制造中。此外，這樣的擴(kuò)散勢(shì)壘具有針對(duì)在本發(fā)明優(yōu)選半導(dǎo)體材料的吸收范圍中的電磁輻射(例如光)的突出的可穿透性，所述半導(dǎo)體材料例如基于黃銅礦化合物。
[0016]對(duì)于作為用于阻擋或阻止水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移的勢(shì)壘的特性，依據(jù)所選擇的材料可以考慮擴(kuò)散勢(shì)壘的層厚。正如 申請(qǐng)人:的試驗(yàn)所展示的，在采用金屬氧化物作為擴(kuò)散勢(shì)壘的材料的情況下，在層厚直至大約50nm時(shí)可以確定實(shí)際上沒(méi)有擴(kuò)散阻擋作用。優(yōu)選地，由金屬氧化物構(gòu)成的擴(kuò)散勢(shì)壘的層厚大于50nm，尤其是大于lOOnm。
[0017]另一方面，由于擴(kuò)散勢(shì)壘對(duì)于電磁輻射的可穿透性隨著層厚的增加而增加，因此在同樣作為針對(duì)水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移的勢(shì)壘良好地起作用時(shí)盡可能小的層厚是有利的。優(yōu)選地，擴(kuò)散勢(shì)壘的層厚處于大于50nm至200nm的范圍內(nèi)，尤其是在IOOnm之上至200nm的范圍內(nèi)。正如 申請(qǐng)人:利用金屬氧化物進(jìn)行試驗(yàn)而以令人吃驚的方式所展示的，至少在幾種材料的情況下隨著層厚的進(jìn)一步增加超于IOOnm實(shí)際上就作為水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移的勢(shì)壘的作用來(lái)說(shuō)不能實(shí)現(xiàn)附加的效果。因此可能有利的是，擴(kuò)散勢(shì)魚(yú)的層厚處于大于50nm至IOOnm的范圍內(nèi)，尤其是在大于50nm至IOOnm之下的范圍內(nèi)，尤其是在75nm至IOOnm的范圍內(nèi)，尤其是在75nm至IOOnm之下的范圍內(nèi)。
[0018]在本發(fā)明的太陽(yáng)能模塊中擴(kuò)散勢(shì)壘位于吸收區(qū)與粘接層之間。例如擴(kuò)散勢(shì)壘為此目的被布置在前電極與吸收區(qū)之間。在一種就太陽(yáng)能電池的過(guò)渡區(qū)域前電極/吸收區(qū)中的電特性來(lái)說(shuō)有利的構(gòu)型中，擴(kuò)散勢(shì)壘被布置在前電極與粘接層之間。
[0019]在太陽(yáng)能電池、尤其是薄層太陽(yáng)能電池的一種典型制造方式中，背電極通過(guò)在背電極層中構(gòu)造出第一層溝槽來(lái)制造，吸收區(qū)通過(guò)在半導(dǎo)體層中構(gòu)造出第二層溝槽來(lái)制造，以及前電極通過(guò)在前電極層中構(gòu)造出第三層溝槽來(lái)制造。在此原則上可能的是，擴(kuò)散勢(shì)壘的材料位于最后構(gòu)造的、用于對(duì)前電極結(jié)構(gòu)化的第三層溝槽內(nèi)，其中太陽(yáng)能模塊的光學(xué)活性區(qū)域、也就是吸收區(qū)通過(guò)擴(kuò)散勢(shì)壘而完全與粘接層分離。在一種替換的構(gòu)型中，在第三層溝槽內(nèi)不存在擴(kuò)散勢(shì)壘的材料，也就是說(shuō)第三層溝槽沒(méi)有擴(kuò)散勢(shì)壘的材料。這樣的太陽(yáng)能模塊包括具有用于形成背電極的第一層溝槽的背電極層、具有用于形成吸收區(qū)的第二層溝槽的半導(dǎo)體層、具有用于形成前電極的第三層溝槽的前電極層，其中太陽(yáng)能電池的擴(kuò)散勢(shì)壘位于第三層溝槽之外。
[0020]該措施帶來(lái)了工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即用于制造擴(kuò)散勢(shì)壘的勢(shì)壘層可以還在加入用于形成前電極的第三層溝槽之前例如被沉積到前電極層上。由此可以放棄其它用于施加勢(shì)壘層的涂層設(shè)備，這隨著在制造太陽(yáng)能模塊時(shí)顯著的成本節(jié)省而出現(xiàn)。正如 申請(qǐng)人:的試驗(yàn)所展示的，在第三層溝槽的區(qū)域中允許的、水分子和摻雜物離子在粘接層與吸收區(qū)之間的擴(kuò)散性遷移小得可忽略，從而實(shí)際上不出現(xiàn)串聯(lián)電阻的增大。
[0021]本發(fā)明還涉及用于制造如上所述太陽(yáng)能模塊、尤其是薄層太陽(yáng)能模塊的方法，該方法包括步驟，其中將與前電極不同的擴(kuò)散勢(shì)壘布置在吸收區(qū)與粘接層之間。
[0022]在該方法的有利構(gòu)型中，通過(guò)化學(xué)或物理氣相沉積或?yàn)R射制造用于形成擴(kuò)散勢(shì)壘的勢(shì)壘層，由此將擴(kuò)散勢(shì)壘的制造工藝技術(shù)上簡(jiǎn)單和成本低廉地集成到太陽(yáng)能模塊的制造中是可能的。
[0023]原則上擴(kuò)散勢(shì)壘可以分別被制造為單覆層或者通過(guò)沉積多個(gè)由至少兩種不同材料構(gòu)成的覆層來(lái)制造。在該方法的有利構(gòu)型中，通過(guò)沉積至少一個(gè)金屬氧化物覆層來(lái)制造用于形成擴(kuò)散勢(shì)壘的勢(shì)壘層。有利地，通過(guò)沉積至少一個(gè)金屬氧化物覆層和至少一個(gè)金屬氮化物覆層的交替序列來(lái)制造勢(shì)壘層。
[0024]在該方法的有利構(gòu)型中，背電極通過(guò)在背電極層中構(gòu)造出第一層溝槽來(lái)制造，吸收區(qū)通過(guò)在半導(dǎo)體層中構(gòu)造出第二層溝槽來(lái)制造，以及前電極通過(guò)在前電極層中構(gòu)造出第三層溝槽來(lái)制造，其中用于制造擴(kuò)散勢(shì)壘的勢(shì)壘層被沉積到用于制造前電極的前電極層上。替換地也可以將勢(shì)壘層沉積到前電極以及使前電極相互分離的第三層溝槽上。
[0025]僅補(bǔ)充地要說(shuō)明的是，在本發(fā)明的意義上位于太陽(yáng)能電池的吸收區(qū)與粘接層之間的擴(kuò)散勢(shì)壘可以是相互分離的層片段，這些層片段例如通過(guò)對(duì)勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)化來(lái)制造。但同樣也可能的是，擴(kuò)散勢(shì)壘是連貫的勢(shì)壘層的層片段。
[0026]本發(fā)明還涉及如上所述的擴(kuò)散勢(shì)壘在如上所述的太陽(yáng)能模塊中的應(yīng)用。該太陽(yáng)能模塊包括由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)粘接層相互連接的襯底構(gòu)成的層壓復(fù)合物，在兩個(gè)襯底之間存在串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)的光入射側(cè)上的前電極與背電極之間，其中擴(kuò)散勢(shì)壘與前電極不同并且位于吸收區(qū)與粘接層之間，其中擴(kuò)散勢(shì)壘被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層擴(kuò)散到吸收區(qū)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)擴(kuò)散到粘接層中。本發(fā)明的應(yīng)用涉及擴(kuò)散勢(shì)壘的所有上述構(gòu)型以及涉及太陽(yáng)能模塊的所有上述構(gòu)型，其中為了避免重復(fù)參照與此有關(guān)的實(shí)施。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]現(xiàn)在借助實(shí)施例更詳細(xì)地闡述本發(fā)明，其中參照附圖。在簡(jiǎn)化的、不按比例的圖示中:
圖1示出示例性薄層太陽(yáng)能模塊的示意圖；
圖2-3示出用于圖解不同擴(kuò)散勢(shì)壘的作用的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在圖1中以示意性方式圖解總地用附圖標(biāo)記I表示的薄層太陽(yáng)能模塊。該薄層太陽(yáng)能模塊I包括多個(gè)以集成形式串聯(lián)相互布線的薄層太陽(yáng)能電池2，其中在圖1中為了更簡(jiǎn)單地表示的目的僅示出兩個(gè)薄層太陽(yáng)能電池2。不言而喻，在薄層太陽(yáng)能模塊I中大量(例如大約100個(gè))薄層太陽(yáng)能電池2串聯(lián)布線。
[0029]薄層太陽(yáng)能模塊I具有復(fù)合片材結(jié)構(gòu)，即其具有電絕緣的第一(載體)襯底3連同施加在其上的、由薄層構(gòu)成的層結(jié)構(gòu)4，該層結(jié)構(gòu)被布置在第一襯底3的光入射側(cè)表面上。射入到用于光伏電流產(chǎn)生目的的薄層太陽(yáng)能電池2上的電磁輻射13 (例如太陽(yáng)光)通過(guò)箭頭圖解。層結(jié)構(gòu)4可以通過(guò)蒸發(fā)、也就是氣相的化學(xué)沉積(CVD)或物理沉積(PVD)、或者濺射(磁場(chǎng)輔助的陰極濺射)來(lái)制造。第一襯底3在此例如被構(gòu)造為具有相對(duì)小的光穿透性的剛性玻璃板，其中同樣地可以采用其它具有期望強(qiáng)度和相對(duì)于所執(zhí)行的工藝步驟的惰性特性的電絕緣材料。[0030]在此，每個(gè)薄層太陽(yáng)能電池2具有布置在第一襯底3的光入射側(cè)表面上的背電極
5、布置在背電極5上的光伏活性半導(dǎo)體區(qū)或吸收區(qū)6、布置在半導(dǎo)體區(qū)6上的緩沖區(qū)7以及布置在緩沖區(qū)7上的前電極8。通過(guò)前電極8，與緩沖區(qū)7和吸收區(qū)6共同地形成異質(zhì)結(jié)，即相反導(dǎo)電類型的層的序列。緩沖區(qū)7可以引起在吸收區(qū)6的半導(dǎo)體材料與前電極8的材料之間的電子匹配。此外在前電極8上布置擴(kuò)散勢(shì)壘9，通過(guò)該擴(kuò)散勢(shì)壘可以至少幾乎完全地、尤其是完全地阻止水分子和摻雜物離子(例如鈉離子)的擴(kuò)散性遷移。
[0031]為了構(gòu)造以集成方式串聯(lián)相互布線的薄層太陽(yáng)能電池2，在采用如激光寫(xiě)入的合適結(jié)構(gòu)化工藝和例如切削或刻刮的機(jī)械處理的情況下對(duì)第一襯底3上的層結(jié)構(gòu)4的不同層進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。在此情況下重要的是，光敏面的損耗盡可能小并且所采用的結(jié)構(gòu)化工藝選擇性地用于待去除的材料。這樣的結(jié)構(gòu)化對(duì)于每個(gè)薄層太陽(yáng)能電池典型地包括3個(gè)用P1、P2、P3縮寫(xiě)的結(jié)構(gòu)化步驟。
[0032]在此，首先將例如由諸如鑰(Mo)的光不可穿透的金屬組成的背電極層19施加到第一襯底3上。背電極層19具有例如在300nm至600nm的范圍中并且尤其是大約500nm
的層厚。
[0033]在第一結(jié)構(gòu)化步驟Pl中，通過(guò)產(chǎn)生第一層溝槽16中斷背電極層19，由此形成背電極5。
[0034]接著，將半導(dǎo)體層21沉積在背電極5和使背電極5相互分離的第一層溝槽16上。半導(dǎo)體層21由用摻雜物離子(金屬離子)摻雜的半導(dǎo)體組成，該半導(dǎo)體的帶隙優(yōu)選能夠吸收盡可能大份額的太陽(yáng)光。半導(dǎo)體層21例如由P導(dǎo)電的黃銅礦半導(dǎo)體、例如Cu (In，Ga)(S，Se) 2族的化合物、尤其是鈉(Na)摻雜的Cu (In，Ga) (S，Se) 2組成。半導(dǎo)體層21具有例如在1_5μπι的范圍中并且尤其是大約2μπι的層厚。第一層溝槽16在施加半導(dǎo)體層21時(shí)被半導(dǎo)體材料填充。
[0035]然后將緩沖層23沉積在半導(dǎo)體層21上。緩沖層23在此例如由硫化鎘(CdS)單覆層和由本征氧化鋅(1-ZnO)制成的單覆層組成，這在圖1中未更詳細(xì)示出。
[0036]接著在第二結(jié)構(gòu)化步驟P2中通過(guò)產(chǎn)生第二層溝槽17來(lái)中斷兩個(gè)半導(dǎo)體層，也就是半導(dǎo)體層21和緩沖層23，由此形成半導(dǎo)體區(qū)6和緩沖區(qū)7。
[0037]然后將前電極層20沉積到緩沖區(qū)7和使緩沖區(qū)7與半導(dǎo)體區(qū)6彼此分離的第二層溝槽17上。前電極層20的材料對(duì)于半導(dǎo)體層21的吸收范圍中(例如在可見(jiàn)光譜范圍中)的輻射是透明的，從而射入的電磁輻射13僅被少量衰減。前電極層20例如基于摻雜的金屬氧化物，例如η導(dǎo)電的、摻雜鋁(Al)的氧化鋅(ΖηΟ)。這樣的前電極層20 —般稱為TCO層(TCO=Transparent Conductive Oxide,透明導(dǎo)電氧化物)。
[0038]前電極層20的層厚例如是大約500nm。第二層溝槽16在施加前電極層20時(shí)被該層的導(dǎo)電材料填充。
[0039]接著例如通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射將勢(shì)壘層22沉積到前電極層20上。勢(shì)壘層22優(yōu)選由無(wú)機(jī)材料、尤其是由至少一個(gè)金屬氧化物覆層、優(yōu)選由金屬氧化物覆層和金屬氮化物覆層構(gòu)成、例如由至少一個(gè)錫-鋅氧化物覆層和至少一個(gè)氮化硅覆層構(gòu)成的交替序列組成。勢(shì)壘層22的層厚優(yōu)選在50nm之上并且在此例如處于大于50nm至200nm的范圍內(nèi)，尤其是在75nm至IOOnm的范圍內(nèi)，尤其是在75nm至IOOnm之下的范圍內(nèi)。替換地還可以將勢(shì)魚(yú)層22布置在前電極層22與半導(dǎo)體層21之間。[0040]在第三結(jié)構(gòu)化步驟P3中，通過(guò)產(chǎn)生第三層溝槽18來(lái)中斷勢(shì)壘層22和前電極層20，由此形成前電極8和擴(kuò)散勢(shì)壘9。替換地也可設(shè)想的是，第三層溝槽18向下一直達(dá)到第一襯底3。
[0041 ] 不同金屬向半導(dǎo)體材料的轉(zhuǎn)換通過(guò)在爐中加熱進(jìn)行(RTP=Rapid ThermalProcessing,快速熱處理),這對(duì)專業(yè)人員本身是已知的,從而在此無(wú)需對(duì)此更詳細(xì)探討。
[0042]在這里所示出的例子中，薄層太陽(yáng)能模塊I的所產(chǎn)生的正電壓連接端(+ )以及所產(chǎn)生的負(fù)電壓連接端(_)都通過(guò)背電極5被引導(dǎo)并且在那里被電接觸。通過(guò)照射薄層太陽(yáng)能電池2，在兩個(gè)電壓連接端處產(chǎn)生電壓。所產(chǎn)生的電流路徑14在圖1中通過(guò)箭頭圖解。
[0043]為了保護(hù)免遭環(huán)境影響，第一襯底3連同所施加的薄層太陽(yáng)能電池2與第二襯底11粘接成耐風(fēng)雨的復(fù)合物。為此在前電極8和使前電極8彼此分離的第三層溝槽18上施力口 (塑料)粘接層10，該粘接層用于封裝層結(jié)構(gòu)4。第三層溝槽18在施加粘接層10時(shí)被該層的絕緣材料填充。
[0044]第二襯底11作為正面覆蓋層對(duì)于輻射13是透明的，并且例如以由具有低鐵含量的特白玻璃制成的玻璃板的形式構(gòu)造，其中同樣可以采用具有期望強(qiáng)度和針對(duì)所執(zhí)行的工藝步驟的惰性特性的其它電絕緣材料。第二襯底11用于對(duì)層結(jié)構(gòu)4進(jìn)行密封和機(jī)械保護(hù)。經(jīng)由正面的模塊表面15可以照射薄層太陽(yáng)能模塊I以產(chǎn)生電能。
[0045]兩個(gè)襯底3，11通過(guò)粘接層10牢固地相互連接(“層壓”)，其中粘接層10在此例如被構(gòu)造為熱塑性粘接層，該熱塑性粘接層通過(guò)加熱變得可塑性變形并且在冷卻時(shí)將兩個(gè)襯底3和11牢固地相互連接。粘接層10在此例如由PVB組成。兩個(gè)襯底3，11連同嵌入在粘接層10中的薄層太陽(yáng)能電池2共同形成層壓的復(fù)合物12。
[0046]在這里例如由PVB組成的粘接層10中，包含重量份額在千分之個(gè)位數(shù)范圍中的水。通過(guò)擴(kuò)散勢(shì)壘9可以至少在很大程度上防止水分子從粘接層10擴(kuò)散性遷移到吸收區(qū)6中。同樣，通過(guò)擴(kuò)散勢(shì)壘9可以至少在很大程度上防止摻雜物離子(在此例如是鈉離子)從吸收區(qū)6擴(kuò)散到粘接層10中。由此可以減小薄層太陽(yáng)能模塊I的功率損耗。盡管水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散性遷移可能在第三層溝槽18的區(qū)域中進(jìn)行，但是該擴(kuò)散性遷移被看作小得可忽略。
[0047]在圖2中借助針對(duì)在圖1中圖解的薄層太陽(yáng)能模塊I的示意性測(cè)量圖表作為針對(duì)不同擴(kuò)散勢(shì)壘9的以小時(shí)為單位的運(yùn)行時(shí)間或壽命T (h)的函數(shù)關(guān)于在投入運(yùn)行(T=O)時(shí)的串聯(lián)電阻說(shuō)明所布線的薄層太陽(yáng)能電池2的相對(duì)電串聯(lián)電阻Rs (rel)。在薄層太陽(yáng)能模塊I中利用作為粘接層10的PVB層壓兩個(gè)玻璃襯底3，11。吸收區(qū)6由P導(dǎo)電的黃銅礦半導(dǎo)體、在此例如是鈉(Na)摻雜的Cu (In，Ga) (S，Se) 2組成。
[0048]對(duì)于所述測(cè)量，薄層太陽(yáng)能模塊I通過(guò)在干燥的環(huán)境中加熱到大約85°C而經(jīng)歷加速的老化。
[0049]測(cè)量曲線與不同的薄層太陽(yáng)能模塊對(duì)應(yīng)，其中分別僅改變擴(kuò)散勢(shì)壘9。具體地說(shuō)，針對(duì)薄層太陽(yáng)能模塊I確定以下測(cè)量曲線:
測(cè)量曲線(I):具有50nm的層厚的由SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(50SnZn0)
測(cè)丨量曲線(2):具有50nm的層厚的由SiN組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(50SiN)
測(cè)丨量曲線(3):具有IOOnm的層厚的由SiN組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(IOOSiN)
測(cè)量曲線(4):由層厚為50nm的SnZnO覆層和層厚為50nm的SiN覆層組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(50+50)
測(cè)量曲線(5):具有200nm的層厚的由SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(200SnZn0)
測(cè)丨量曲線(6):具有IOOnm的層厚的由SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘(IOOSnZnO)
測(cè)暈曲線(7):由4個(gè)覆層組成的擴(kuò)散勢(shì)壘，其中SnZnO覆層和SiN覆層以交替的序列布置并且這些覆層分別具有25nm的層厚(4*25)。
[0050]此外被確定為參考的是:
測(cè)暈曲線(O):沒(méi)有擴(kuò)散勢(shì)壘的薄層太陽(yáng)能模塊I (無(wú))。
[0051]從測(cè)量曲線(O)可以看出，薄層太陽(yáng)能模塊I的相對(duì)串聯(lián)電阻由于老化而連續(xù)升高，其中可以識(shí)別出飽和特性。在大約14000個(gè)小時(shí)的壽命之后，串聯(lián)電阻實(shí)際上不再升高。作為對(duì)此的原因假定是水分子從PVB粘接層10擴(kuò)散入吸收區(qū)6中以及鈉離子從吸收區(qū)6擴(kuò)散出到粘接層10中。在老化期間，串聯(lián)電阻升高到其在薄層太陽(yáng)能模塊I投入運(yùn)行時(shí)的起始值的大約3.5至4倍。
[0052]測(cè)量曲線(I)至(3)的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)緊密地放在一起并且至少不明顯地與參考測(cè)量曲線(O)的測(cè)量點(diǎn)區(qū)別。由此得出:由SnZnO組成的50nm厚的擴(kuò)散勢(shì)壘在減小薄層太陽(yáng)能模塊I的串聯(lián)電阻升高方面基本上沒(méi)有作用。相應(yīng)地也適用于由SiN組成的50nm厚的擴(kuò)散勢(shì)壘以及由SiN組成的IOOnm厚的擴(kuò)散勢(shì)壘。
[0053]與此不同，在測(cè)量曲線(4)至(7)中可以識(shí)別出在減小薄層太陽(yáng)能模塊的串聯(lián)電阻升高方面的顯著效果。由此可以通過(guò)IOOnm厚的、分別由50nm厚的SnZnO覆層和50nm厚的SiN覆層組成的擴(kuò)散勢(shì)壘、IOOnm厚或200nm厚的由SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘以及通過(guò)IOOnm厚的、分別由四個(gè)25nm厚的SnZnO覆層和SiN覆層以交替序列組成的擴(kuò)散勢(shì)壘來(lái)顯著減小串聯(lián)電阻的升高。
[0054]在此，測(cè)量曲線(4)至(7)相對(duì)緊密地放在一起并且至少不明顯地彼此區(qū)別。在老化期間，串聯(lián)電阻僅升高到其在薄層太陽(yáng)能模塊I投入運(yùn)行時(shí)的起始值的大約2至2.5倍，從而通過(guò)這樣的擴(kuò)散勢(shì)壘可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電阻升高的大約50%的減小。作為對(duì)此的原因假定是通過(guò)太陽(yáng)能電池的擴(kuò)散勢(shì)壘阻擋了水分子和鈉離子的擴(kuò)散性遷移。
[0055]由此利用由SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘只有在50nm層厚之上、尤其是在層厚為IOOnm和200nm的情況下才能達(dá)到良好的擴(kuò)散阻擋作用，其中對(duì)于IOOnm或200nm的層厚實(shí)際上不再能識(shí)別出區(qū)別。對(duì)應(yīng)良好的作用對(duì)于其中組合地包含SnZnO和SiN的擴(kuò)散勢(shì)壘也能識(shí)別出，其中在擴(kuò)散勢(shì)壘的總層厚為IOOnm時(shí)50nm厚的SnZnO覆層或兩個(gè)25nm厚的SnZnO覆層就足以實(shí)現(xiàn)良好的擴(kuò)散阻擋效果。通過(guò)將擴(kuò)散勢(shì)壘劃分為多個(gè)具有交替材料序列的覆層，可以實(shí)現(xiàn)特別好的擴(kuò)散阻擋效果。
[0056]在圖3中為測(cè)量曲線(O)至(7)分別作為以小時(shí)為單位的運(yùn)行時(shí)間或壽命T(h)的函數(shù)關(guān)于薄層太陽(yáng)能模塊I在投入運(yùn)行(T=O)時(shí)的效率說(shuō)明薄層太陽(yáng)能模塊I的相對(duì)效率Eta (rel)。
[0057]因此可以識(shí)別出，在沒(méi)有擴(kuò)散勢(shì)壘的情況下效率由于老化而減小了大約20至25%。對(duì)應(yīng)地適用于50nm厚的、由SnZnO或SiN組成的擴(kuò)散勢(shì)壘。對(duì)于IOOnm厚的由SiN組成的擴(kuò)散勢(shì)壘可以觀察到相對(duì)小的效果，其中效率被減小了大約18%。利用IOOnm厚的SnZnO組成的擴(kuò)散勢(shì)壘可以將效率減小大約13%。最好的結(jié)果針對(duì)測(cè)量曲線(4)至(7)的擴(kuò)散勢(shì)壘得以實(shí)現(xiàn)，其中薄層太陽(yáng)能模塊的效率僅減小了大約10%。由此通過(guò)合適的擴(kuò)散勢(shì)壘可以將效率減小降低大約50%。
[0058]本發(fā)明提供太陽(yáng)能模塊、尤其是薄層太陽(yáng)能模塊及其制造方法，其中通過(guò)在太陽(yáng)
能電池的吸收區(qū)與粘接層之間的針對(duì)水分子和摻雜物離子的擴(kuò)散勢(shì)壘可以減小由老化引
起的功率損耗。擴(kuò)散勢(shì)壘的制造可以以簡(jiǎn)單和成本低廉的方式集成到太陽(yáng)能模塊的工業(yè)批
量生產(chǎn)中。
[0059]附圖標(biāo)記列表
I薄層太陽(yáng)能模塊 2薄層太陽(yáng)能電池 3第一襯底 4層結(jié)構(gòu) 5背電極 6吸收區(qū) 7緩沖區(qū) 8前電極 9擴(kuò)散勢(shì)壘 10粘接層 11第二襯底
12復(fù)合物 13輻射 14電流路徑 15模塊表面 16第一層溝槽 17第二層溝槽 18第三層溝槽 19背電極層 20前電極層 21半導(dǎo)體層 22勢(shì)壘層 23緩沖層。
【權(quán)利要求】
1.太陽(yáng)能模塊(1)，具有由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)粘接層(10)相互連接的襯底(3，11)組成的層壓的復(fù)合物(12)，在這兩個(gè)襯底之間存在串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池(2)，所述太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料制成的吸收區(qū)(6)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)(6)的光入射側(cè)上的前電極(8)與背電極(5)之間，其中在吸收區(qū)(6)與粘接層(10)之間存在與前電極(8)不同的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)，該擴(kuò)散勢(shì)壘被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層(10)擴(kuò)散到吸收區(qū)(6)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)(6)擴(kuò)散到粘接層(10)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)包括至少一個(gè)金屬氧化物覆層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)包括至少一個(gè)金屬氧化物覆層和至少一個(gè)金屬氮化物覆層的交替序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)由至少一個(gè)由錫-鋅氧化物構(gòu)成的覆層和至少一個(gè)由氮化硅構(gòu)成的覆層的交替序列組成。
5.根據(jù)權(quán)利要 求1至4之一所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)的層厚大于50nm,尤其是在大于50nm至200nm的范圍內(nèi)，并且尤其是在75nm至IOOnm的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)被布置在前電極(8)與粘接層(10)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的太陽(yáng)能模塊(1)，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9)被布置在前電極(8)與吸收區(qū)(6)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的太陽(yáng)能模塊(1)，該太陽(yáng)能模塊包括: -具有用于形成背電極(5)的第一層溝槽(16)的背電極層(19)， -具有用于形成吸收區(qū)(6)的第二層溝槽(17)的半導(dǎo)體層(21)， -具有用于形成前電極(8)的第三層溝槽(18)的前電極層(20)， 其中太陽(yáng)能電池(2)的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)位于第三層溝槽(18)之外。
9.用于制造具有由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)粘接層(10)相互連接的襯底(3，11)組成的層壓的復(fù)合物(12)的太陽(yáng)能模塊(I)的方法，在這兩個(gè)襯底之間存在串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池(2)，所述太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料制成的吸收區(qū)(6)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)(6)的光入射側(cè)上的前電極(8)與背電極(5)之間，其中在每個(gè)太陽(yáng)能電池(2)中在吸收區(qū)(6)與粘接層(10)之間布置與前電極(8)不同的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)，該擴(kuò)散勢(shì)壘被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層(10)擴(kuò)散到吸收區(qū)(6)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)(6)擴(kuò)散到粘接層(10)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)化學(xué)或物理氣相沉積或磁場(chǎng)輔助的陰極濺射制造用于形成太陽(yáng)能電池(2)的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)的勢(shì)壘層(22)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過(guò)沉積至少一個(gè)金屬氧化物覆層來(lái)制造用于形成太陽(yáng)能電池(2)的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)的勢(shì)壘層(22)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中通過(guò)沉積至少一個(gè)金屬氧化物覆層和至少一個(gè)金屬氮化物覆層的交替序列來(lái)制造用于形成太陽(yáng)能電池(2)的擴(kuò)散勢(shì)壘(9)的勢(shì)壘層(22)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12之一所述的方法，其中背電極(5)通過(guò)在背電極層(19)中構(gòu)造出第一層溝槽(16)來(lái)制造，吸收區(qū)(6)通過(guò)在半導(dǎo)體層(21)中構(gòu)造出第二層溝槽(17)來(lái)制造，以及前電極(8)通過(guò)在前電極層(20)中構(gòu)造出第三層溝槽(18)來(lái)制造，其中將勢(shì)壘層(22)沉積到用于制造前電極(8)的前電極層(20)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至12之一所述的方法，其中背電極(5)通過(guò)在背電極層(19)中構(gòu)造出第一層溝槽(16)來(lái)制造，吸收區(qū)(6)通過(guò)在半導(dǎo)體層(21)中構(gòu)造出第二層溝槽(17)來(lái)制造，以及前電極(8)通過(guò)在前電極層(20)中構(gòu)造出第三層溝槽(18)來(lái)制造，其中將勢(shì)壘層(22)沉積到前電極(8)以及第三層溝槽(18)上。
15.擴(kuò)散勢(shì)壘(9)在具有由兩個(gè)通過(guò)至少一個(gè)粘接層(10)相互連接的襯底(3，11)組成的層壓的復(fù)合物(12)的太陽(yáng)能模塊(I)中的應(yīng)用，在這兩個(gè)襯底之間存在串聯(lián)布線的太陽(yáng)能電池(2)，所述太陽(yáng)能電池分別具有由半導(dǎo)體材料制成的吸收區(qū)(6)，所述吸收區(qū)位于布置在吸收區(qū)(6 )的光入射側(cè)上的前電極(8 )與背電極(5 )之間，其中擴(kuò)散勢(shì)壘(9 )與前電極(8)不同并且位于吸收區(qū)(6)與粘接層(10)之間，其中該擴(kuò)散勢(shì)壘(9)被構(gòu)造為阻擋水分子從粘接層(10)擴(kuò)散到吸收區(qū)(6)中和/或阻擋摻雜物離子從吸收區(qū)(6)擴(kuò)散到粘接層(1 0)中。
【文檔編號(hào)】H01L31/05GK103718307SQ201280038982
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月10日
【發(fā)明者】A.韋爾熱, F.利恩哈爾, P.莫根森, W.斯泰特, A.阿維蘭 申請(qǐng)人:法國(guó)圣戈班玻璃廠