DE4442824C1 - Solarzelle mit Chalkopyrit-Absorberschicht - Google Patents

Solarzelle mit Chalkopyrit-Absorberschicht

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Description

Ein Hauptziel in der Photovoltaik ist die Entwicklung von möglichst langzeitstabilen und hocheffizienten Solarzellen bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten. Nur dann wird diese Form der Energieerzeugung gegenüber anderen konventio­ nellen Verfahren konkurrenzfähig.
Bezüglich Wirkungsgrad und Langzeitstabilität gelten derzeit Solarmodule aus einkristallinem Silizium als Standard.
Erfolgversprechende Ansätze zur Herstellung kostengünstiger und langzeitstabiler Solarzellen werden derzeit bei Solarzel­ len aus polykristallinen I-III-VI₂-Chalkopyrit-Halbleitern vermutet. Insbesondere das CuInSe₂ (CIS) und verwandte Legie­ rungen aus dem System CuIn(Ga)Se₂(S₂) (= CIGS) sind Materia­ lien, die einen hohen Absorptionskoeffizienten, einen direk­ ten Bandübergang und einen dem Sonnenspektrum angepaßten Bandabstand aufweisen. Sie lassen sich in kostengünstigen Dünnschichtabscheideverfahren herstellen und haben in Labor­ versuchen bereits Wirkungsgrade von über 17% erreicht.
Eine gängige Zellenstruktur besteht aus einem Glassubstrat, einer Molybdän-Rückelektrode, einer 1 bis 5 µm dicken Absor­ berschicht aus polykristallinem Chalkopyrit-Halbleiter, einer dünnen Cadmiumsulfidfensterschicht und einer transparenten Frontelektrode.
Es hat sich herausgestellt, daß Rekordwirkungsgrade aus­ schließlich mit Solarzellen erreicht werden können, die auf alkalihaltigen Glassubstraten, beispielsweise Kalknatronglas hergestellt werden. Mit anderen Materialien wird ein negati­ ver Substrateinfluß auf das Kornwachstum der Chalkopyrit-Ab­ sorberschicht festgestellt. Bei ansonsten identischen Her­ stellungsbedingungen werden mit anderen Substratmaterialien feinkristalline Schichten mit mittleren Korndurchmessern von ca. 200 nm erhalten. Zusätzlich bilden sich an der Oberfläche der Chalkopyrit-Schicht besonders feinkristalline und maximal ca. 50 nm große Kristallite von unterschiedlicher Flächen­ deckung aus. Diese bewirken eine Reduzierung des Zellen­ stroms, der maximal erreichbaren Leerlaufspannung, der Kurz­ schlußstromdichten und des Füllfaktors.
Als Ursache für die Abhängigkeit der Solarzelleneigenschaften werden vom Substrat stammende Verunreinigungen vermutet. Da das Substrat bei der Schichtbildung der Absorberschicht bis nahe an den Erweichungspunkt erhitzt wird, können insbeson­ dere Alkali- und Erdalkaliionen aus dem Substrat in den Halb­ leiter eindiffundieren. Gängige Substrate aus Floatglas wei­ sen (Erd-)Alkalikonzentrationen von 13 bis 15 Prozent Natri­ um, 5 bis 7 Prozent Calicium, 4 bis 5 Prozent Magnesium und 0,5 bis 1 Prozent Kalium auf.
Bei der Herstellung von Solarzellen mit Chalkopyrit-Absorber­ schicht tritt das Problem auf, daß der positive Einfluß von Kalknatronglas auf die Zelleneigenschaften zusätzlich von der Vorbehandlung des Substratmaterials abhängig ist, beispiels­ weise von der Reinigung der Oberfläche, von den Lagerungsbe­ dingungen bezüglich Feuchtigkeit, Dauer und Temperatur sowohl der unbeschichteten als auch der mit Molybdänrückelektrode beschichteten Substrate. Auch die Abscheidebedingungen der Molybdänrückelektrode haben einen Einfluß auf die Solarzel­ leneigenschaften. Es wird vermutet, daß unterschiedliche Abscheidebedingungen primär das Diffusionsverhalten gegenüber Alkali- und Erdalkaliionen beeinflussen. Dafür spricht auch, daß die für die Herstellung der Chalkopyrit-Absorberschicht verwendete Wärmemenge eine weitere Einflußgröße für die Solarzelleneigenschaften ist.
Als weiterer Nachteil ist zu nennen, daß die Chalkopyrit­ schichten oft eine schlechte Haftung auf der Molybdänrücke­ lektrode besitzen.
Eine 100%ige Prozeßkontrolle, die für die großtechnische Herstellung von hochwertigen Solarzellen mit Chalkopyrit-Ab­ sorberschicht erforderlich ist, ist praktisch nur mit sehr großem Aufwand möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren zur Herstellung einer Solarzelle mit Chalkopyrit-Absor­ berschicht (4, 5) aus dem System CuIn(Ga)Se₂(S2) (= CIGS) an­ zugeben, welches den bislang unkontrollierbaren Substrat­ einfluß auf die Eigenschaften der späteren Solarzelle besei­ tigt und trotzdem zu einer Solarzelle mit morphologisch gut ausgebildeter Absorberschicht und guten Zelleneigenschaften führt, die Höchstwirkungsgrade erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und eine besonders aus­ gestaltete Solarzelle sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung geht auf die Entdeckung zurück, daß bereits bei Vorhandensein eines Alkalielements in einer Chalkopyrit-Ab­ sorberschicht der Wirkungsgrad und andere Eigenschaften daraus hergestellter Solarzellen verbessert werden. Die Ein­ stellung eines gewünschten Alkaligehalts wird bei der Erfin­ dung aber nicht etwa durch eine Unterstützung der Alkalidif­ fusion aus einem alkalihaltigen Substrat erreicht, sondern im Gegenteil durch vollständige Unterdrückung von Alkalidif­ fusion in die Absorberschicht und durch dosierte Zugabe eines Alkalielements oder einer Alkalielementverbindung während oder nach der Erzeugung der Rückelektrodenschicht.
Die Erfindung nutzt weiterhin die Erkenntnis, daß die positi­ ven Wirkungen erst bei einem bestimmten Schwellenwert bezüg­ lich einer Alkalikonzentration in der Absorberschicht auf­ treten. Dieser Schwellenwert läßt sich mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren sicher erreichen und überschreiten.
Mit der Erfindung wird weiterhin das Problem vermieden, daß bei erhöhter Alkalikonzentration in der Absorberschicht eine verschlechterte Haftung zwischen der Absorberschicht und der sonst üblicherweise verwendeten Molybdänrückelektrode vermie­ den wird.
Gegenüber einer ansonsten baugleichen Solarzelle, die keinen Alkaligehalt in der Chalkopyrit-Absorberschicht aufweist, werden folgende Verbesserungen der Solarzelleneigenschaften erreicht:
  • - die maximal erreichbare Leerlaufspannung der Solarzelle wird um mindestens 80 mV auf 500 mV erhöht;
  • - die Kurzschlußstromdichten erreichen mehr als 40 mA/cm² und damit beinahe den theoretisch möglichen Maximalwert;
  • - die Füllfaktoren steigen von bisher maximal 65 Prozent auf über 70 Prozent an;
  • - die Leerlaufspannung der Solarzelle erhöht sich bereits bei geringsten Alkaligehalten;
  • - die Haftung der Absorberschicht auf einer Molybdänrücke­ lektrode wird verbessert.
Eine erfindungsgemäß unabhängig vom Substrat hergestellte Ab­ sorberschicht besitzt eine für Solarzellen vorteilhafte Mor­ phologie. Sie ist grobkörnig und besitzt mittlere Korndurch­ messer im Bereich der Schichtdicke der Absorberschicht, die zwischen 1 und 5 µm liegen. Es bildet sich auch keine fein­ kristalline Oberflächenschicht, wie sie bislang bei Absorber­ schichten auf alkalifreien Substraten beobachtet wurde. Für das erfindungsgemäße Verfahren steht daher eine größere Auswahl geeigneter Substrate zur Verfügung.
Da die genaue Höhe des Alkaligehalts der Absorberschicht ent­ scheidend für die Wirkungsgraderhöhung der Solarzelle verant­ wortlich ist, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erst­ mals eine einfache Verfahrenskontrolle bezüglich des Alkali­ gehalts zur Verfügung gestellt. Das Verfahren führt sicher zu Solarzellen mit geeignetem Alkaligehalt in der Absorber­ schicht, der erst das Erreichen hoher und höchster Wirkungs­ grade der Solarzelle ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird der gewünschte Alkaligehalt der Absor­ berschicht vorzugsweise im Bereich der Grenzfläche zur Rück­ elektrode eingestellt. Experimente haben gezeigt, daß das Einbringen von Alkalielementen von der Oberfläche der Absor­ berschicht her eine geringere Wirkungsgraderhöhung der So­ larzellen zur Folge hat. Doch auch eine Solarzelle mit über die Dicke der Absorberschicht konstantem Alkaligehalt ist ge­ genüber einer solchen mit alkalifreier Absorberschicht ver­ bessert.
Das Einbringen der gewünschten Alkalimenge kann durch dosier­ tes Zugeben von elementarem Natrium, Kalium oder Lithium er­ folgen. Die Zugabe von Alkalimetall kann durch Verdampfen aus einer Effusionszelle oder aus einem Linearverdampfer erfol­ gen.
Vorzugsweise wird der gewünschte Alkaligehalt jedoch durch dosierte Zugabe einer geeigneten Alkaliverbindung erzeugt. Insbesondere sind dies die jeweiligen Verbindungen mit Sauer­ stoff, Schwefel, Selen oder den Halogeniden. Da Schwefel und Selen bereits Bestandteil des Chalkopyrit-Halbleiters sind, führen deren Verbindungen mit den Alkalielementen nicht zu zusätzlichen Verunreinigungen in der Absorberschicht.
Die Abscheidung der Alkaliverbindungen erfolgt vorzugsweise durch Sputtern oder Verdampfen. Dabei kann ein Alkaliverbin­ dungstarget oder ein Mischtarget aus der Alkaliverbindung und einem Kupferselenid CuxSey oder ein Mischtarget aus der Al­ kaliverbindung mit einem Indiumselenid InxSey verwendet wer­ den. Ebenso ist ein Metall-Alkali-Mischtarget wie Cu/Na, Cu/ Ga/Na oder In/Na möglich.
Die Einbringung von Natrium, Kalium oder Lithium kann auch beim Sputtern der Rückelektrode von einem mit dem Alkaliele­ ment versetzten Metalltarget erfolgen.
Ein geeigneter Alkaligehalt ist abhängig von der Schichtdicke und vom Herstellverfahren der Chalkopyrit-Absorberschicht, welches die erreichbaren Korngrößen bestimmt. Für ein zwei­ stufiges Herstellverfahren über einen Schichtaufbau mit Aus­ gangskomponenten und anschließender Überführung in den Ver­ bindungshalbleiter durch schnelles Tempern (Rapid Thermal An­ nealing) hat sich eine auf die Fläche der Solarzelle bezogene Dosis von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Atomen Alkali pro cm² als vorteilhaft erwiesen. Bei darüberliegenden Konzentrationen kann wieder eine verschlechterte Haftung auftreten.
Die Kontrolle der abgeschiedenen Alkalimenge kann durch eine geeichte Schwingquarzmessung, durch Absorptionsspektroskopie oder durch Massenspektrometrie erfolgen.
Bei Verwendung eines alkalihaltigen Substrats, insbesondere eines Glassubstrats wird eine zusätzliche Alkalidiffusion aus dem Substrat in die Absorberschicht während deren Herstellung durch eine Diffusionssperrschicht verhindert. Dafür sind dünne Schichten aus Siliziumnitrid, Titannitrid, Aluminium­ oxid, SiO2, TiO₂ oder ZrO₂ geeignet. Eine elektrisch isolie­ rende Diffusionssperrschicht aus Aluminiumoxid, Silizium­ dioxid, Titanoxid oder Zirkonoxid kann direkt über dem Substrat angeordnet sein.
Die Diffusionssperrschicht darf vor dem Erzeugen der Absor­ berschicht nicht durch Strukturierungsverfahren verletzt wer­ den. Da dünne Aluminiumoxid- und Siliziumdioxid-Schichten im sichtbaren Bereich transparent sind, kann bei der Verwendung von optisch transparenten Substraten eine Laserstrukturierung von der Rückseite durch das Substrat hindurch erfolgen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP-A 0 536 431 beschrieben. Ein weiteres Strukturierungsverfahren, mit dem die Diffusionssperrschicht nicht verletzt wird, ist die Lift off-Technik. Auch die Anwendung einer Maskentechnik bei der Abscheidung der Rückelektrode führt zu keiner Verletzung der Diffusionssperrschicht.
Eine Diffusionssperrschicht aus leitendem Material kann zwi­ schen Substrat und Rückelektrode oder zwischen Rückelektrode und Absorberschicht angeordnet werden. Zum Erreichen einer Serienverschaltung muß diese dann jedoch zusammen mit der Rückelektrode strukturiert werden. Um eine Diffusion von Al­ kali während der Bildung der Absorberschicht zu verhindern, darf die gemeinsame Strukturierung von Rückelektrode und Dif­ fusionssperrschicht erst nach der Erzeugung der Absorber­ schicht erfolgen.
Eine ausreichende Barrierewirkung wird von dünnen Siliziumni­ trid-, Titannitrid, Aluminiumoxid-, Titanoxid-, oder Zirkon­ oxidschichten von ca. 20 bis 100 nm Dicke bewirkt.
Die Diffusionssperrschichten können mit bekannten Abscheide­ verfahren wie Sputtern von Verbindungstargets oder durch re­ aktives Sputtern von Elementtargets großflächig, stöchiome­ trisch und dicht aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Rückelektrode verwendet, die gegenüber Alkaliionen eine voll­ ständige Barrierewirkung besitzt und daher als Diffusions­ sperrschicht dienen kann. Eine zusätzliche Diffusionssperr­ schicht ist in dieser Ausführung nicht erforderlich. Eine solche Rückelektrode kann beispielsweise vollständig aus Ti­ tannitrid ausgebildet sein. Möglich ist es auch, eine solche Rückelektrode mit vollständiger Barrierewirkung aus zwei Schichten auszubilden, was jedoch wieder der bereits be­ schriebenen Kombination Rückelektrode/elektrisch leitende Diffusionssperrschicht entspricht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen sechs Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im schematischen Querschnitt die verschie­ denen erfindungsgemäßen Möglichkeiten, eine hochwertige Chal­ kopyrit-Absorberschicht über einem beliebigen Substrat zu er­ zeugen.
Fig. 1: Als alkalihaltiges Substrat 1 dient eine Glasplatte, beispielsweise aus Kalknatronglas. Darüber wird eine Diffusi­ onssperrschicht 2 in einer Schichtdicke von ca. 20 bis 100 nm abgeschieden. Als Material für die Diffusionssperrschicht können Aluminiumoxid, Titannitrid, Siliziumdioxid, Silizium­ nitrid, Titanoxid oder Zirkonoxid dienen.
Darüber wird nun eine Rückelektrode 3 aufgebracht, beispiels­ weise eine ca. 1 µm dicke Molybdänschicht durch Sputtern.
Im nächsten Schritt wird eine Chalkopyrit-Absorberschicht mit einem gewünschten Alkaligehalt über der Rückelektrode 3 er­ zeugt. Das Einbringen des gewünschten Alkaligehalts selbst ist dabei abhängig vom Herstellungsverfahren für die Chalko­ pyrit-Absorberschicht.
Im Zweistufenverfahren wird dazu ein aus Ausgangskomponenten des Verbindungshalbleiters bestehender Mehrschichtaufbau in der geeigneter Schichtdicke erzeugt, der die Elemente des Verbindungshalbleiters in annähernd richtiger Stöchiometrie enthält. In einem zweiten Schritt werden die Ausgangskompo­ nenten zum Verbindungshalbleiter umgesetzt. Ausgangskomponen­ ten können dabei Schichten aus Kupfer, Indium, Gallium, Selen und Schwefel oder deren binären Verbindungen miteinander sein. In einer Variation des zweistufigen Verfahrens kann die nichtmetallische Komponente (Schwefel oder Selen) zumindest zum Teil über eine entsprechend selen- oder schwefelhaltige Atmosphäre zugeführt werden.
In einer vom Herstellungsverfahren des Verbindungshalbleiters unabhängigen Variante wird das Alkalielement vorzugsweise in Form eines Sulfids oder Selenids auf der Rückelektrode 3 ab­ geschieden. Beim Zweistufenprozeß wird darüber wieder der Mehrschichtaufbau aus den Komponenten das Verbindungshalblei­ ters erzeugt und anschließend in einem Temperschritt bei Tem­ peraturen von typischerweise über 500°C zum Verbindungshalb­ leiter umgesetzt.
Es wird der in Fig. 1 dargestellte Aufbau erhalten, bei dem sich an der Grenzfläche zur Rückelektrode 3 eine alkalireiche Halbleiterschicht 4 unter einer alkaliärmeren Halbleiter­ schicht 5 ausgebildet hat.
Alternativ kann das Zudosieren der Alkaliverbindung durch Cosputtern zusammen mit anderen Komponenten des Mehrschicht­ aufbaus erfolgen.
In einem einstufigen Verfahren zum Herstellen der Absorber­ schicht werden die Komponenten simultan verdampft und bilden auf dem heißen Substrat direkt den Verbindungshalbleiter aus. In diesem Fall können in der Startphase die entsprechenden Alkaliverbindungen simultan mit den übrigen Komponenten auf­ gedampft werden.
In einer vom Herstellverfahren der Absorberschicht unabhän­ gigen Variante wird die Rückelektrode 3 alkalihaltig erzeugt, beispielsweise durch Sputtern von Metalltargets, die neben dem Rückelektrodenmaterial Natrium, Kalium oder Lithium enthalten. Beim zur Bildung des Verbindungshalbleiters nöti­ gen Temperaturschritt erfolgt dann die Ausdiffusion der Al­ kaliionen in den Verbindungshalbleiter, wobei wiederum der in Fig. 1 dargestellte Aufbau erhalten wird.
In Fig. 2 ist das Ergebnis einer Verfahrensvariante darge­ stellt, in der die Schichtenfolge bezüglich Rückelektrode 3 und Diffusionssperrschicht 2 gegenüber der Fig. 1 vertauscht ist. Für diese Verfahrensvariante gilt einschränkend, daß die Diffusionssperrschicht aus einem elektrisch leitfähigen Ma­ terial aufgebaut wird. Als Materialien für Rückelektrode 3 und Diffusionssperrschicht 2 kommen beispielsweise Kombina­ tionen von Molybdän mit Titannitrid, Palladium oder Platin und deren Verbindungen insbesondere mit Silizium in Frage. Auch die Kombinationen von Titan oder anderen Elektrodenme­ tallen mit Titannitrid sind geeignet.
Das Erzeugen der Absorberschicht bzw. das Einbringen eines Alkaligehalts in die Absorberschicht 4, 5 kann wie beim er­ sten Ausführungsbeispiel erfolgen.
Fig. 3 zeigt einen Schichtaufbau, bei dem eine alkalihaltige Absorberschicht 4, 5 über einer Rückelektrode 6 und einem al­ kalihaltigen Substrat 1 angeordnet ist. Hier besitzt die Rückelektrode 6 eine vollständige Barrierewirkung gegenüber Alkalionendiffusion und kann daher gleichzeitig als Diffu­ sionssperrschicht über alkalihaltigen Substraten dienen. Ge­ eignete Materialien für diese Rückelektrode 6 sind neben insbesondere Titannitrid auch die für die Ausführung nach Fig. 2 geeigneten Materialien.
Die Erzeugung der Chalkopyrit-Absorberschicht und das Ein­ bringen eines Alkaligehalts in die Absorberschicht kann in der bereits beschriebenen Weise erfolgen. Die Zudosierung ei­ nes Alkalielementes bzw. einer Alkaliverbindung im Bereich der Grenzschicht zur Rückelektrode 6 führt bei der fertigen Absorberschicht 4, 5 zu einem alkalireichen Schichtbereich 4 und einem alkaliarmen Schichtbereich 5.
In den Ausführungen nach den Fig. 2 und 3, bei denen di­ rekt unter der alkalihaltigen Absorberschicht 4 eine Diffu­ sionssperrschicht 2, 6 angeordnet ist, erfüllt letztere wei­ tere Funktionen: sie dient zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zum Halbleiter bzw. zur Chalkopyrit-Absorberschicht 4 und stellt außerdem eine Diffusions- und Reaktionsbarriere für solche Elemente und Verbindungen dar, die beim Herstel­ lungsprozeß der Chalkopyrit-Absorberschicht 4, 5 anfallen und mit der Rückelektrode reagieren könnten. Dies ist insbeson­ dere gegenüber solchen Solarzellen vorteilhaft, bei denen di­ rekt über einer Molybdänrückelektrode eine Chalkopyrit-Ab­ sorberschicht erzeugt wird. Durch Reaktion mit Selen oder Schwefel, also mit Komponenten des Chalkopyrit-Verbindungs­ halbleiters können unter den Herstellbedingungen der Chalko­ pyrit-Absorberschicht Molybdänsulfide und -selenide entste­ hen, die einen negativen Einfluß auf die Haftung der Absor­ berschicht über der Rückelektrode, auf den ohmschen Kontakt zwischen Rückelektrode und Halbleiter und auf weitere elek­ trische Solarzelleneigenschaften besitzen. Gemäß dieser er­ findungsgemäßen Ausführungsform kann daher die Herstellung des Halbleiters weitgehend von den chemischen und physikali­ schen Eigenschaften der Rückelektrode entkoppelt werden. Re­ aktionen des Halbleiters mit der Rückelektrode, beispiels­ weise auch eine Legierungsbildung mit den Halbleiterkomponen­ ten Kupfer, Gallium oder Indium bleiben aus. Aus diesem Grund sind die Ausführungen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 auch für elektrisch isolierende alkalifreie Substrate 7 sinnvoll.
Fig. 4 stellt einen weiteren Schichtaufbau mit einem alka­ lifreien Substrat 7 dar. Dafür sind Keramiken und insbeson­ dere Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid geeignet.
Da erfindungsgemäß hier keine Diffusionssperrschicht für Al­ kalielemente erforderlich ist, ist auch die Materialauswahl für die Rückelektrode 3 keinen diesbezüglichen Beschränkungen unterworfen.
Die Erzeugung der Absorberschicht erfolgt wie beschrieben, wobei durch Einbringung eines Alkaligehalts im Bereich der Grenzfläche zur Rückelektrode 3 ein alkalireicher Schichtbe­ reich 4 und ein alkaliarmer Schichtbereich 5 ausgebildet wird.
Fig. 5 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung einen Aufbau über einem ebenfalls alkalifreien jedoch elek­ trisch leitfähigen Substrat 8. Für diese Ausführung ist al­ lerdings eine zusätzliche Isolatorschicht 9 zwischen Rück­ elektrode 3 und dem Substrat 8 erforderlich. Sie ist Voraus­ setzung dafür, daß durch Strukturierung eine integrierte Se­ rienverschaltung des späteren Solarmoduls möglich ist. Neben der elektrischen Isolation dient sie auch als Reaktionsbar­ riere zwischen Substrat und Rückelektrode und gegebenenfalls als Diffusionsbarriere für Verunreinigungen. Geeignete Mate­ rialien für die Isolatorschicht 9 sind Aluminiumoxid, Silizi­ umoxid oder andere temperaturstabile Isolatoren wie Silizium­ nitrid, Zirkonoxid oder Titanoxid. Die Rückelektrode 3 kann auch wahlweise ersetzt werden durch die Rückelektrodenkombi­ nationen 2 und 3 gemäß der Fig. 2 oder durch die Rückelek­ trode 6 der Fig. 3, um eine chemische Reaktion der Rück­ elektrode mit dem Verbindungshalbleiter 4, 5 zu vermeiden.
Die Abscheidung von Rückelektrode 3 und der Absorberschicht 4, 5 unter Hinzudosieren von Natrium, Kalium, Lithium oder einer entsprechenden Alkaliverbindung erfolgt wie beschrie­ ben. In der Absorberschicht bildet sich so wiederum ein al­ kalreicher Schichtbereich 4 und ein alkaliarmer Schichtbe­ reich 5 aus.
Das weitere Verfahren zur Fertigstellung der Solarzellen er­ folgt nach bekannten Methoden. Als n-leitende Fensterschicht wird über der (p-leitenden) Absorberschicht 5 beispielsweise eine 10 bis 50 nm dicke Cadmiumsulfidschicht erzeugt. Darüber wird schließlich die Frontelektrode abgeschieden, zum Bei­ spiel in Form einer 1 µm dicken Zinkoxidschicht. Generell sind jedoch auch Kombinationen mit anderen Fensterschichten und anderen transparenten Frontelektroden möglich.
Zum Erzielen einer ausreichend hohen Modulspannung kann die Solarzelle schließlich noch integriert verschaltet werden. Dazu kann jede einzelne Schicht des Solarzellenaufbaus direkt nach ihrer Herstellung strukturiert werden. Dabei ist stets darauf zu achten, daß vor der Fertigstellung der Absorber­ schicht die Diffusionssperrschicht nicht verletzt wird. Be­ reits kleinste strukturelle Fehler in der Diffusionssperr­ schicht können nach einer Temperung zu einer Erhöhung der Al­ kalikonzentration in der Absorberschicht führen. Ohne nach­ folgende Temperung hat die Beschädigung oder Entfernung der Diffusionssperrschicht entlang von Strukturierungslinien keine Erhöhung der Alkalikonzentration zur Folge.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, der das Konzept der Superstratezelle zugrundeliegt. Der Lichteinfall erfolgt bei dieser Zelle durch das transparente Substrat 10, das gegebenenfalls mit einer Diffusiossperrschicht 10a verse­ hen wird, falls Alkaliverunreinigungen im Substrat 10 vorlie­ gen. Das Substrat (bestehend aus den Schichten 10 und 10a) wird anschließend mit einer transparenten Frontelektrode 11 aus TCO (Transparent Conductive Oxide) versehen, die zum Bei­ spiel aus dotierten Metalloxiden wie Zinn- oder Zinkoxid be­ stehen kann. Der nächste Prozeßschritt besteht in der Erzeu­ gung einer alkalihaltigen Absorberschicht 12. Die Solarzel­ lenherstellung wird abgeschlossen mit einer metallischen Rückelektrode 13, die einen ohm′schen Kontakt zum Verbin­ dungshalbleiter bewirkt.
Ausführungsbeispiel: Sodalime-Substrat/60 nm Al₂O₃/Mo/ Na₂Se/CIGS (siehe auch Fig. 1).
Auf ein 2 mm dickes Sodalime-Substrat wird direkt nach der Standard-Glasreinigung eine 60 nm dünne geschlossene Al₂O₃-Schicht von einem Al₂O₃-Verbindungstarget mittels Hochfre­ quenz-Sputtern abgeschieden. Die 60 nm M₂O₃ dienen hier als Diffusionssperrschicht 2 für Alkali-Verunreinigungen aus dem Kalknatronglas. Anschließend wird eine Rückelektrode 3 aufge­ bracht, zum Beispiel durch Aufsputtern von 700 nm Molybdän. Die dosierte Einbringung von Alkaliionen geschieht hier durch vollständiges Verdampfen von einer präzise abgewogenen Menge von Na₂Se aus einem Keramik-Schiffchen direkt auf die Mo- Rückelektrode. Die Dosis in diesem Beispiel beträgt 2 × 10¹⁵ Natriumionen pro Quadratzentimeter Rückelektrodenfläche. Die Chalkopyrit-Absorberschicht wird in dieser Ausführung mit ei­ nem schnellen Temperprozeß aus den elementaren Kupfer-, Gal­ lium-, Indium- und Selenschichten hergestellt. Dazu werden die Metalle im Molverhältnis von 0,89 < Cu/(In+Ga) < 0,96 auf das Natriumselenid aufgesputtert, Selen mit einem stöchiome­ trischen Überschuß von 25 Prozent aufgedampft, und mit dem schnellen Temperprozeß bei typisch 550°C, 10 min in Inertgas und Verkapselung zu CuIn(Ga)Se₂ reagiert. Die Elemente­ schichtdicken können so variiert werden, daß Absorberschicht­ dicken von 1-3 µm, hier 2 µm, entstehen. Zur Herstellung des Absorbers kann aber auch jede andere Technologie einge­ setzt werden wie zum Beispiel Temperung der Cu/Ga/In-Schich­ ten in reaktiver Se-Atmosphäre oder Simultanverdampfung von Cu, Ga, In und Se.
Zur Fertigstellung der Solarzellen wird auf der Absorber­ schicht 4, 5 nach bekannten Methoden eine 10-50 nm dünne Kadmiumsulfid-Fensterschicht erzeugt. Anschließend wird eine transparente Frontelektrode, eine ca. 1-1,5 µm dicke ZnO-Schicht mit einem CVD-Verfahren abgeschieden und ein Grid aus 50 nm Cr und 1 µm Al durch eine Maske aufgedampft.
Zum Vergleich wurden Solarzellen auf Sodalime-Substraten mit Al₂O₃-Sperrschicht, allerdings ohne Zugabe von Natriumselenid hergestellt. Ohne Natrium bleiben die Wirkungsgrade der be­ sten Zellen unter 5 Prozent, mit Natriumselenid lagen sie über 10 Prozent. Die gemessenen Zellendaten bei diesem Bei­ spiel betragen im Vergleich:
ohne Na: η < 5%, Voc < 425 mV, Isc < 21 mA/cm², FF < 56%
mit Na₂Se: η < 10%, Voc < 445 mV, Isc < 37 mA/cm², FF < 65%.

Claims (13)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Solarzelle auf einem Substrat (1, 7, 8), wobei die Solarzelle Rückelektrode (3, 6), Chalkopy­ rit-Absorberschicht (4, 5), Fensterschicht und Frontelektrode umfaßt, bei dem vor oder während der Erzeugung der Absorber­ schicht (4, 5) ein Element oder eine Verbindung eines Elements dosiert zugegeben wird, welches ausgewählt ist aus Na, K und Li, und bei dem eine zusätzliche Diffusion von Alkaliionen aus dem Substrat in die Absorberschicht während des Herstell­ verfahrens durch Anordnung einer Diffusionssperrschicht (2, 6, 9, 10a) zwischen Substrat und Absorberschicht oder Ver­ wendung eines alkalifreien Substrats (7) verhindert wird, so daß sich in der fertigen Absorberschicht eine gewünschte und durch die Dosierung bestimmte Konzentration des genannten Elements einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Element in Form einer Verbindung mit Sauerstoff, Schwefel, Selen oder den Halogeniden auf der Rückelektrode (3) abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Element Natrium ist und als Na₂S oder Na₂Se vor der Erzeugung der Absorberschicht (4, 5) auf der darunterliegenden Elektrode (3, 10, 10a) abgeschieden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das dosierte Zugeben des Elements oder seiner Verbin­ dung durch Verdampfen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das dosierte Zugeben des Elements oder seiner Verbin­ dung durch Sputtern erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Element oder die Verbindung des Elements zusammen mit einer Komponente von Rückelektrode (3) oder Absorber­ schicht (4, 5) bei deren Abscheidung durch Sputtern von einem Mischtarget zugegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Solarzelle auf einem Glassubstrat (1) aufgebaut wird, und bei dem eine Diffusionssperrschicht (2, 6) zwischen Substrat und Absorberschicht (4) angeordnet wird, die ausge­ wählt ist aus TiN, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, ZrO₂ oder TiO₂.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem direkt auf dem auf einem Glassubstrat (1, 10) eine Elektrodenschicht aufgebracht und darüber eine elektrisch leitende Diffusionssperrschicht (2) angeordnet wird, die ausgewählt ist aus TiN, Pt oder Pd.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Chalkopyrit-Absorberschicht (4, 5) aus dem System CuIn(Ga)Se₂(S₂) (= CIGS) erzeugt wird und dafür das (Alkali-) Element oder die Verbindung des Elements in einer auf die Oberfläche der Solarzelle bezogenen Menge von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Atomen des Elements pro cm² zugegeben wird.
10. Solarzelle mit einer Chalkopyrit-Absorberschicht (4, 5), die ein Element aus der Gruppe Na, K und Li in einer Dosis von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Atomen pro cm² Absorberschicht enthält.
11. Solarzelle nach Anspruch 10, die über einem Substrat (1) einen Aufbau mit Rückelektrode (3), Chalkopyrit-Absorberschicht (4, 5), Fensterschicht und Frontelektrode umfaßt, und bei der zwischen Substrat und Ab­ sorberschicht eine Diffusionssperrschicht (2) für Alkaliionen angeordnet ist.
12. Solarzelle nach Anspruch 11, die einen Aufbau aus Glassubstrat (1), Molybdän-Rückelektrode (3), Chalkopyrit-Absorberschicht (4, 5) aus dem System CuIn(Ga)Se2(S2) (= CIGS) und eine zwischen Absorberschicht und Substrat angeordnete Diffusionssperrschicht (2) besitzt, die ausgewählt ist aus TiN, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄₁ZrO₂ oder TiO₂.
13. Solarzelle nach Anspruch 11, deren Diffusionssperrschicht (2) eine Dicke von 20-100 nm aufweist.
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