Plasmapolymerisierte Barriereschichten aus einer skalierbaren Mikrowellen-Plasmaquelle für flexible Solarzellenmodule

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden durch den Einsatz von Niederdruck-Mikrowellenplasmaverfahren dünne und flexible Metallfolien mit einer Isolations- und Diffusionsbarriere versehen, so daß sie als Substrate für die Fertigung flexibler Dünnschichtsolarmodule genutzt werden können.

Die Photovoltaik ist in vielerlei Hinsicht ein aussichtsreicher Ansatz, um einen Teil des Energiebedarfs mit Hilfe regenerativer Quellen zu decken. Durch den Einsatz neuer Technologien können sowohl bewährte Konzepte der Photovoltaik verbessert als auch völlig neue Ideen entwickelt und verwirklicht werden. Die herkömmlichen Einsatzbereiche und Nischenanwendungen werden dadurch erweitert und neue erst ermöglicht.

Es wird auf die Grundlagen der Photovoltaik eingegangen, um auf die Problematik der Herstellung flexibler Solarmodule auf Basis des Kupferindiumgalliumdiselenids (CIGS) hinzuführen. Das am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstofforschung (ZSW) Stuttgart etablierte Dünnschicht-CIGS zeichnet sich durch viele Vorteile aus, hat aber den Nachteil, daß es bisher etwa 600°C Substrattemperatur benötigt, um in dem Dünnschichtverfahren eine gute Qualität zu erzielen.

Es wird gezeigt, daß Metallfolien als Substratmaterial gewählt werden müssen, da sie als einziges flexibles Substrat den hohen Temperaturen bei der Fertigung standhalten können. Die übliche monolithische Verschaltung der Solarzellen zum Modul kann durch die Leitfähigkeit des Metalls nur bei vorheriger Isolation des Substrates durchgeführt werden.

Die große Herausforderung besteht darin, mit Hilfe eines Mikrowellen-gestützten Niederdruckplasmas einen Dünnschichtprozeß zu etablieren, der die Metallfolienoberfläche so versiegelt, daß eine Fertigung der Solarzellen ermöglicht wird und trotzdem die Flexibilität erhalten bleibt. Die Grundlagen der Mikrowellenplasmen und ihre Eigenschaften werden dargestellt. Es wird das Duo-Plasmaline-Prinzip vorgestellt und die Vorzüge aufgezeigt. Mit der Charakterisierung des Plasmas kann eine ausgezeichnete Homogenität nachgewiesen werden, die auch bei der Skalierung der Quelle auf große Flächen im industriellen Maßstab erhalten bleibt. Es kann weiter verdeutlicht werden, daß die Homogenität bei Beschichtungen ebenfalls eine homogene Zu- und Abführung der Gase benötigt.

Zur Entwicklung des Plasmabeschichtungsprozesses ist die Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten entscheidend. Die Analysen der Schichtzusammensetzung und der Schichtmorphologie führen zu stabilen Beschichtungen. Ausschlaggebend für die Funktion der Barriereschichten ist aber die fehlerfreie Fertigung, was eine absolute Pinhole-freie Beschichtung auf den großen Substratflächen erfordert. Im Rahmen der Fehleranalyse wird der Elektrolysetest vorgestellt. Durch die Entwicklung des Elektrolysetests kann erstmals Fehlerstellen in den Isolationsbarrieren identifiziert und auf den großen Flächen lokalisiert werden. Anschließende rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (REM) ermöglichen erstmals systematische Untersuchungen der Fehlerquellen.

Es wird der Weg der Entwicklung der Barriereschichten auf den Metallfoliensubstraten aufgezeigt. Die Anpassungen der Parameter werden dargestellt, die zu einer optimalen Schichthaftung und Schichtstabilität führen. Die Ergebnisse und die Auswertung des Elektrolyseversuchs zeigen die Fehlerquellen auf, welche durch eine Vorbehandlung, eine geeignete Prozeßführung und vorsichtige Handhabung vermieden werden können. Die perfekte Isolationsbarriere der Beschichtung kann demonstriert werden, wodurch auf einem dünnen und temperaturstabilen Substrat Solarzellen monolithisch verschaltet hergestellt werden können. Der Zerstörung des Solarzellenmaterials während dessen Hochtemperaturabscheidung, die durch eindringendes Substratmaterial und Verunreinigungen verursacht wurde, kann durch die Diffusionsbarrierenwirkung der plasmatechnologischen Schicht erfolgreich Einhalt geboten werden.

Die Arbeit demonstriert mit einem großflächigen Solarmodul von 20cm x 30cm, wie durch den Einsatz der Plasmatechnologie ein neuartiges Solarmoduldesign erzielt werden kann, welches sich neben dem sparsamen Materialverbrauch der Dünnschichttechnik auch durch Flexibilität und Gewichtsreduktion auszeichnet.

In the presented work thin and flexible metal foils are provided with insulating and diffusion barrier layers by applying a low pressure microwave generated plasma technique, so that they can be used as substrates for the manufacturing of flexible thin film solar modules. In many respects photovoltaics is a promising alternative, in order to substitute part of the conventional electrical energy production by environmentally attractive regenerative energy sources. Proven concepts of the photovoltaic systems can further be improved and completely new ideas can be developed and carried out by the application of the new plasma technologies. Thus, the conventional areas and niches of application of photovoltaics are extended and improved. In the introduction the basics of photovoltaics are presented leading to the technological problems of the production of flexible solar modules based on copper indium gallium diselenide (CIGS). The thin film CIGS material established at the Centre for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW) in Stuttgart, Germany, is featured with many advantages. One major disadvantage of the CIGS technology is the high substrate temperature of about 600°C that is needed to produce a thin CIGS film of excellent quality.

To obtain a flexible CIGS module thin metal foils must be chosen as flexible substrate material, since only this flexible substrate can withstand the high temperatures during the manufacturing process. The electrically monolithic interconnection of the solar cells to form a module can only be accomplished on the basis of an excellent isolation of the conductive metal substrate. The great challenge is to deposit a thin insulating film on the metal foil to seal the surface by using a microwave-sustained low pressure plasma that allows the manufacturing of solar cells on the foil without losing its flexibility. The basics of the microwave plasmas and their characteristics are shown. The Duo-Plasmaline principle is presented and its advantages are pointed out. The characterisation of the plasma confirms an excellent homogeneity of the plasma source, that is also kept with up-scaling the source to large areas as they are used in industrial applications. The demonstrated homogeneity could only be achieved by a homogeneous feeding of coating gases and a suitable removal of the exhaust gases.

For the development of the plasma coating process the characterisation of the deposited layers is crucial. The analysis of the layer composition and of the layer morphology leads to stable coatings. Decisive for the function of the barrier layers is, however, the defect free manufacturing, which requires an absolute pinhole free coating on the large substrate areas. In the context of the pinhole detection the electrolysis test is presented. The novel electrolysis test device allows to identify defects in the isolation barriers and to locate these defects on the large surfaces. The imperfections that cause these defects can subsequently be identified for the first time by scanning electron microscopic investigations (SEM).

The manufacturing procedure of the barrier layer on to the metal foil substrates is presented. The set of parameters which lead to an optimum layer adhesion and layer stability are presented. The results and the evaluation of the electrolysis test pointed out the causes of defects, which can be avoided by a pre-treatment, a suitable processing and careful handling of the flexible substrates. The perfect isolation barrier property of the coating can be demonstrated by manufacturing CIGS solar cells monolithically interconnected on a coated flexible and temperature-stable substrate. The formerly observed destruction of the solar cell material during its high temperature deposition, which was caused by penetrating substrate material and impurities, can successfully be suppressed by the diffusion barrier effect of the plasma-technological deposited layer.

The work demonstrates that a flexible solar module of a size as large as 20cm x 30cm can be manufactured by using the novel plasma coating technology. The innovative module is characterised by economical materials consumption of thin-film technology and, additionally, by flexibility and weight reduction.