Ofen, Öfen zur Selenisierung und Sulfurisierung von Chalkopyrit Dünnschichtsolarzellen, wie Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Sulfid CIGS, CIGSe, CIGSSe
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Selenisierung und Sulfurisierung von Chalkopyrit CIGS 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:

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.

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Aufbau der Chalkopyrit CIGS bzw. CIGSe Solarzelle

CIGS Solarzelle

Chalkopyrit oder Kupferkies sind häufig vorkommende Mineralien und I-III-VI2-Verbindungen, die Kupfer (griechisch chalko), weitere Metalle wie Indium und Gallium sowie Schwefel und Selen enthalten. Viele Chalkopyrite absorbieren sehr gut Licht, weisen halbleitende Eigenschaften auf und eignen sich daher gut zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Über die Variation der chemischen Zusammensetzung aus den einzelnen Elementen lassen sich die Eigenschaften des Halbleiters wie Gitterkonstante und Bandabstand einstellen. Das sind sehr gute Voraussetzungen für die Optimierung von Solarzellen.
Eine Chalkopyrit- oder CIGS-Dünnschichtsolarzelle besteht aus mehreren Lagen. Meist wird ein Glasträger als Substrat eingesetzt. Darauf wird eine nicht-transparente Molybdän-Schicht als Rückseitenkontakt aufgebracht. Zur Herstellung der Chalkopyritschicht werden zunächst Kupfer, Indium und Gallium auf das Substrat aufgedampft. Anschließend erfolgt die Selenidisierung bzw. Sulfurisierung dieser Schicht in einem Ofen bzw. einer RTP-Anlage bei Temperaturen um 550°C. Als Selen- bzw. Schwefelquelle dienen Selenwasserstoff H
2Se bzw. Schwefelwasserstoff H2S. Auf dieser CIGS-Schicht, die auch als Absorber bezeichnet wird, wird eine dünne Schicht von Cadmiumsulfid CdS aufgebracht, gefolgt von einem transparenten, leitenden Oxid TCO, das als Frontseitenkontakt dient und z.B. aus Zinkoxid ZnO besteht. An der Grenzfläche zwischen der CdS- und der CIGS-Schicht findet die Bildung der Ladungsträger durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht statt.
Der Aufbau der CIGS-Solarzelle in umgekehrter Reihenfolge, also mit dem Glasträger auf der Vorderseite ist grundsätzlich ebenfalls möglich. Diese Konfiguration nennt sich dann Superstrat-Konfiguration, da sich der Träger über der Zelle befindet und nicht unter der Zelle wie in der gerade beschriebenen Substrat-Konfiguration.

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Öfen und RTP-Anlagen zur Selenisierung und Sulfurisierung

Vertikalofen VFS-4000

Die Selenierung bzw. Sulfurierung kann in verschiedenen Öfen bzw. RTP-Anlagen ausgeführt werden. Im Bild zu sehen ist ein großer Vertikalofen Typ VFS-4000 der Fa. Koyo Thermo Systems. Dieser Ofen wurde ursprünglich für die Abscheidung von poly-Siliziumschichten auf Glasplatten für die Herstellung von TFT-LCDs entwickelt. In ihm können vertikal stehend 25 Glasplatten in Solarpanelgröße prozessiert werden. Der Ofen besitzt wie alle Vertikalöfen aus dem Halbleiterbereich eine exzellente Temperaturgleichmäßigkeit und kann toxische Gase wie H2Se und H2S sicher nutzen. Rohr und Boot des Ofens bestehen aus Quarzglas und stellen somit eine saubere Umgebung für den Prozess sicher, sind aber auch recht teuer. Mehrere Öfen können zu einem Prozesscluster zusammengefasst und über gemeinsame Kassettenstationen über einen Roboter beladen werden. Damit ist ein quasikontinuierlicher Betrieb möglich.

inline-Produktion von CIGS Solarpaneln

Die Herstellung kann auch in einem voll kontinuierlichen Durchlaufprozess erfolgen. Nach Sputtern des Molybdänkontakts werden die metallischen Precursoren Cu, Ga, In aufgebracht. Es folgt ein Vorwärmeprozess und schließlich die Selenidierung und Sulfurisierung mit Selenwasserstoff und Schwefelwasserstoff oder über eine dünne Schicht Selen bzw. Schwefel. Im Beispiel wird ein kontinuierlicher Ofen von Koyo für die thermischen Prozessschritte beschrieben. Die einzelnen Prozesskammern sind durch Schleusen voneinander getrennt. Die thermischen Prozesskammern können evakuiert und gespült werden. Der Weitertransport der Glasplatten von Prozess zu Prozess erfolgt getaktet über ein Rollentransportsystem.

Jüngste Entwicklungen ermöglichen die Einbringung des Selens über Diffusion aus einer aufgebrachten oder eingebrachten festen Schicht bzw. Phase des Selens. Damit ist der Weg frei für den Einsatz von einfacheren Rollentransportöfen oder anderen Durchlauföfen wie sie z.B. auch für die Herstellung von CdTe-Zellen eingesetzt werden. Es müssen keine hochtoxischen Gase mehr eingesetzt werden und die Produktionskosten lassen sich damit deutlich senken.

Rollentransportofen

Alternativ kann auch eine RTP-Anlage eingesetzt werden. In diesem Fall ersetzen Lampenheizungen die kontinuierliche Heizung mit Moldatherm® Heizelementen.

RTP-Anlage RLA3300

RTP-Anlagen können auch für die Einzelprozessierung von kleineren Glasplatten im Labormassstab eingesetzt werden.

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

Crystec Technology Trading GmbH diskutiert mit Ihnen gerne weitere Details.
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