Öfen zur Aktivierung von CdTe Dünnschichtsolarzellen

Die meisten photovoltaischen Solarzellen bestehen heute noch aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium, manchmal auch Germanium. Dünnschichtsolarzellen finden aber immer stärkere Verbreitung. Es gibt derzeit im Wesentlichen 3 Typen von Dünnschichtsolarzellen:

Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silicium
Dünnschichtsolarzellen aus Cadmiumtellurid CdTe, Cadmiumselenid CdSe, Cadmiumsulfid CdS
Dünnschichtsolarzellen auf Chalkopyrit-Basis z.B. Kupferindiumselenid, Kupferindiumgalliumselenid bzw. -sulfid, kurz CIGS.

Aufgrund der besseren Lichtabsorption dieser Materialien im Vergleich zu einkristallinem oder polykristallinem Silicium können diese Materialien in dünnen Schichten auf ein Substrat, oft Glas aufgebracht werden. Weniger Materialeinsatz führt zu niedrigeren Kosten, falls die Herstellung der dünnen Schichten kostengünstig realisiert werden kann.

Durch die Einstrahlung von Sonnenlicht werden in der Solarzelle Ladungsträger gebildet, die anschließend zu den Elektroden diffundieren wodurch Spannung aufgebaut und photovoltaischer Strom erzeugt wird. Ladungsträger haben im Halbleiter eine begrenzte Lebensdauer bzw. Diffusionslänge. Je dünner die Schicht ist, umso leichter erreichen die Ladungsträger die Elektroden und umso effektiver ist die Solarzelle.

Aufbau der Cadmiumtellurid CdTe Solarzelle

Eine Cadmiumtellurid-Dünnschichtsolarzelle besteht aus mehreren Lagen. Wenn ein Glasträger eingesetzt wird, dann wird die Solarzelle von der Vorderseite her aufgebaut in der Superstrat-Konfiguration, d.h. der Träger befindet sich über der Zelle: Auf (eigentlich unter) dem Glassuperstrat befindet sich zunächst eine transparente, leitende Indiumzinnoxidschicht (ITO).

Darauf wird eine sehr dünne Cadmiumsulfidschicht aufgebracht. Das Cadmiumsulfid ist sehr transparent für das Sonnenlicht, besitzt aber einen relativ hohen elektrischen Widerstand. Hierauf wird jetzt eine dünne Cadmiumtelluridschicht aufgebracht. An der Grenzfläche zwischen der CdS- und der CdTe-Schicht findet die Bildung der Ladungsträger durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht statt.

Beide Halbleiterschichten müssen mit Cadmiumchlorid CdCl₂ behandelt und getempert werden, um die Kristallstruktur der Schichten sowie die Qualität der CdS-CdTe-Grenzfläche und damit die elektrischen Eigenschaften zu optimieren. Auf der Rückseite der Solarzelle erfolgt die Ableitung der Ladungsträger über metallische Kontakte. Die rückseitige Kapselung der Zelle kann nicht-transparent sein.

Falls nicht-transparente Träger wie Metallfolie eingesetzt werden sollen, findet der Aufbau der Zelle in der Substratkonfiguration statt, d.h. der Träger befindet sich unter der Zelle und die Schichten müssen in umgekehrter Reihenfolge aufgebracht werden. Dieser Schichtaufbau ist komplizierter und wird daher noch nicht im großen Maßstab genutzt.

Thermische Aktivierung der Cadmiumtellurid CdTe Solarzelle

Um Halbleiterschichten mit guten elektrischen Eigenschaften zu erhalten, müssen die aufgebrachten Schichten für ca. 20 Min. bei ca. 400°C aktiviert, thermisch behandelt bzw. gesintert werden, bzw. bei 550°C falls die Halbleiterschichten durch Siebdruck aufgebracht wurden. Dieser Prozessschritt ist sehr wichtig, und beeinflusst die Eigenschaften der Zelle stärker als die verwendete Abscheidetechnik der CdS- bzw. CdTe-Schicht.

Da die Glassubstrate, auf denen Dünnschichtsolarzellen produziert werden relativ groß sein können, werden für diese thermische Aktivierung große, saubere und energiesparende Rollentransportöfen eingesetzt. Die Glasplatten wandern kontinuierlich und sehr schonend auf Keramikrollen durch den Ofen. Es wird eine spezielle Glasmuffel eingesetzt um den Ofen sauber zu halten. Die Luft wird über HEPA-Filter gereinigt.

Eine gezielte Begasung und Absaugung der Abgase ist für das Prozessergebnis ebenso wichtig wie eine sehr gute Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen. Die Anlage selbst muss gegen die korrosiven Chloranteile geschützt sein. Ein mehrstöckiger Aufbau des Ofens ist möglich um den Durchsatz zu erhöhen und die Standfläche des Ofens klein zu halten.

Die Fa. JTEKT Thermo Systems (ehemals Koyo Thermo Systems) hat bereits große Erfahrung mit der Herstellung solcher Durchlauföfen.

JTEKT Thermo Systems und Crystec freuen sich darauf, für sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.