DE69334189T2

DE69334189T2 - Verfahren und apparat zur herstellung von photovoltaischen vorrichtungen und daraus entstehendes produkt

Info

Publication number: DE69334189T2
Application number: DE69334189T
Authority: DE
Inventors: James B. Toledo FOOTE; Steven A. Perrysburg KAAKE; Peter V. Bowling Green MEYERS; James F. Sylvania NOLAN
Original assignee: First Solar Inc
Current assignee: First Solar Inc
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: KR100296054B1; JP3839750B2; DE69334189D1; EP0640247A4; US5248349A; EP1903614A2; EP0640247B1; RU2129744C1; ATE380397T1; US5372646A; WO1993023881A1; CA2134241A1; JP2003060215A; CA2134241C; KR950701455A; ES2297827T3; JPH07508138A; AU4237893A; EP1903614A3; US5536333A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung photovoltaischer Vorrichtungen und bezieht sich darüber hinaus auf das resultierende Produkt zur Umwandlung von Licht in Elektrizität.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der photovoltaische Effekt wurde zum ersten Mal im Jahre 1839 von Edmund Becquerel beobachtet, als er feststellte, dass zwischen zwei identischen Elektroden in einer schwach leitenden Lösung, die Licht ausgesetzt wurde, eine Spannung anliegt. Dieser photovoltaische Effekt wurde zunächst bei Feststoffen, wie z. B. Selenium, in den 70iger Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht und bis in die 80iger Jahre des 19. Jahrhunderts wurden photovoltaische Zellen aus Selenium mit einem Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität von 1 bis 2% hergestellt.
Seit den ersten Versuchen mit Photovoltaik vor über einem Jahrhundert wurde viel Aufwand in die Entwicklung von Halbleitern für photovoltaische Vorrichtungen, d. h. Solarzellen, gesteckt. Ein Großteil der ursprünglichen Arbeit erfolgte mit kristallinem Silizium, das einen relativ dicken Film, wie z. B. in dem Bereich von 100 Mikron, bedingt und zudem eine sehr hohe Qualität entweder in der einkristallinen Form oder sehr nah an der einkristallinen Form haben muss, um wirksam zu arbeiten. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Siliziumzellen betrifft das Einkristall-Zylinderverfahren, bei dem ein einkristalliner Silizium-Kristallkeim einer geschmolzenen Siliziumschmelze verabreicht und anschließend gezogen wird, um einen erhöhten Meniskus aus geschmolzenem Silizium zu schaffen, wobei sowohl der Kristallkeim als auch der Schmelztiegel, der die Schmelze enthält, in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, um das radiale Anwachsen zu verbessern. Durch ein geeignetes Dotieren werden die Zellen entweder als N-Typ oder als P-Typ Halbleiter hergestellt, und nach dem Schneiden zu einem Wafer von in etwa 100 Mikron und der Bildung eines Übergangsbereichs entsteht eine Solarzelle oder eine photovoltaische Vorrichtung. Darüber hinaus kann das kristalline Silizium durch das Gießen eines Blocks hergestellt werden, wobei jedoch dessen Aushärtung nicht so einfach gesteuert werden kann, wie dies bei Einkristall-Zylindern der Fall ist, so dass das resultierende Produkt eine polykristalline Struktur hat. Die direkte Herstellung von kristallinen Siliziumbändern guter Qualität und unter Vermeidung der Notwendigkeit des Schneidens des Wafers zur Herstellung photovoltaischer Vorrichtungen wurde ebenfalls durchgeführt. Bei einer anderen Vorgehensweise, die als Schmelzspinnen bezeichnet wird, wird geschmolzenes Silizium auf eine drehende Scheibe gegossen, um es in einer schmalen Gießform in Richtung nach außen in der gewünschten Form und Dicke zu verteilen. Durch die hohen Drehgeschwindigkeiten beim Schmelzspinnen erhöhen sich die Durchsatzzahlen, jedoch einhergehend mit einer Verschlechterung der Kristallqualität.
Bei den neuesten photovoltaischen Entwicklungen werden Dünnschichten verwendet, die eine Dicke von weniger als 10 Mikron haben, so dass sie sich in einem kleineren Größenbereich als Dickschichthalbleiter befinden. Solche Dünnschichthalbleiter umfassen amorphes Silizium, Kupfer-Indium, Diselenid, Galliumarsenid, Kupfersulfide und Cadmiumtellurid. Amorphes Silizium wird als Dünnschichthalbleiter durch plasmagestützte Auftragung oder durch Glimmentladung, wie in dem U.S.-Patent 5,016,562 offenbart, hergestellt. Andere Verfahren, die zur Herstellung von Dünnschichthalbleitern verwendet werden, umfassen die elektrolytische Abscheidung, den Siebdruck und die „Close-spaced"-Sublimation. Das „Close-spaced"-Sublimationsverfahren wird unter Verwendung von Cadmiumtellurid durchgeführt und erfolgt durch das Einführen einer Glassubstratplatte in eine abgedichtete Kammer, die anschließend erhitzt wird. Die Glassubstratplatte wird an ihrem Rand sehr nahe, üblicherweise 2 bis 3 mm, zu einem Ausgangsmaterial aus Cadmiumtellurid gehalten. Nach dem Erhitzen auf etwa 450°C bis 500°C beginnt das Cadmiumtellurid, sich sehr langsam in elementares Cadmium und Tellurium zu sublimieren, wobei nach dem Erreichen einer Temperatur von in etwa 650°C bis 725°C die Sublimation mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgt und das elementare Cadmium und Tellurium sich bei einer sehr hohen Geschwindigkeit an der nach unten weisenden Oberfläche der am Randbereich gehaltenen Glassubstratplatte wieder zu Cadmiumtellurid verbinden. Das Erhitzen wird im Anschluss daran, bevor die Kammer geöffnet wird und das Substrat mit dem auf dem Substrat abgeschiedenen Cadmiumtellurid entfernt wird, beendet. Folglich erfolgt die Abscheidung des Cadmiumtellurids bei einer sich verändernden Temperatur, die zu Beginn des Vorgangs zunimmt und am Ende des Vorgangs abnimmt. Darüber hinaus beträgt die größte Fläche, auf der eine solche „Close-spaced"-Sublimation bisher durchgeführt wurde, in etwa 100 cm². Die Vergrößerung der Abmessungen des Substrats kann Probleme bei der Aufrechterhaltung der Ebenheit hervorrufen, da das erhitzte Substrat, das lediglich an seinem Rand gehalten wird, dazu tendiert, im zentralen Bereich durchzuhängen.
Das US-Dokument 4650921 beschreibt eine phosphordotierte Schicht aus Cadmiumtellurid, die auf einer leitenden Fensterschicht abgeschieden wird, um eine Dünnschichtsolarzelle herzustellen, während das US-Dokument 4015558 eine Mehrschicht-Beschichtungsvorrichtung beschreibt.
"Solar Cells", Band 27, Oktober-Dezember 1989, Seiten 91–98, beschreibt relevantes Hintergrundwissen auf dem Gebiet der Erfindung.
Eine umfangreichere Abhandlung des Cadmiumtelluridverfahrens ist im Kapitel 11 des Buches "Harnessing Solar Power-The Photovoltaics Challenge" von Ken Zweibel, erschienen bei „Plenum Press of New York and London", zu finden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von photovoltaischen Vorrichtungen zu schaffen, das bzw. die die Erzeugung von kostengünstiger elektrischer Leistung durch die Verwendung einer großflächigen Glassubstratplatte, d. h. über 1000 cm², auf der ein hochqualitatives Halbleitermaterial mit einer relativ hohen Abscheidungsgeschwindigkeit abgeschieden wird, ermöglichen.
In einem breiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Anlage gemäß dem Anspruch 1.
Ein Verfahren unter Verwendung der Anlage der Erfindung umfasst eine erhitzte Substratplatte, die eine ebene Glasplatte umfasst, die in der eingeschlossenen Umgebung auf sich horizontal erstreckenden Rollen zur kontinuierlichen Abscheidung bei hoher Temperatur einer Schicht aus Cadmiumtellurid auf einer Oberfläche des Substrats vorgeschoben wird, um als ein Halbleiter zum Absorbieren von Solarenergie zu fungieren.
Das Substrat ist horizontal auf den Rollen innerhalb der eingeschlossenen Umgebung so ausgerichtet, dass eine Oberfläche des Substrates in Richtung nach oben gerichtet ist, um darauf das Cadmiumtellurid abzuscheiden, und die andere Oberfläche des Substrats in Richtung nach unten gerichtet ist und an den Rollen innerhalb deren Randbereich zum horizontalen Vorschieben gehalten wird. Vorzugsweise werden die sich horizontal erstreckenden Rollen eines Rollenförderers während des Abscheidens der Schicht aus Cadmiumtellurid auf der nach oben gerichteten Oberfläche des Substrats, um ein Abscheiden auf einen großen Substratbereich zu ermöglichen, durch Reibung angetrieben.
Wie offenbart, wird die eingeschlossene Umgebung auf eine Temperatur von über 650°C erhitzt und die ebene Glasplatte auf eine Temperatur im Bereich von 550°C bis 640°C erhitzt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein weiteres Halbleitermaterial auf der nach oben gerichteten Oberfläche des Substrats als eine separate Schicht mit einer Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden, so dass eine elektrische Verbindung entweder nach dem ersten Abscheidevorgang oder durch eine darauf folgende Behandlung hergestellt wird. Insbesondere wird ein weiteres Halbleitermaterial als eine weitere Schicht auf der einen Oberfläche des Substrats vor der Schicht aus Cadmiumtellurid, die darauf abgeschieden wird, abgeschieden und hat eine Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid. Bei dieser Schicht aus Halbleitermaterial, die auf der einen Oberfläche des Substrats vor der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden wird, handelt es sich vorzugsweise um Cadmiumsulfid. Die zusätzliche Schicht aus Halbleitermaterial kann auch als eine weitere Schicht auf der einen Oberfläche des Substrats nach der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden werden, so dass diese eine Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid an der dem Substrat gegenüberliegenden Seite hat. Das Verfahren erfolgt durch die Abscheidung eines weiteren Halbleitermaterials als eine weitere Schicht auf der einen Oberfläche des Substrats vor der Schicht aus Cadmiumtellurid, die darüber abgeschieden wird, und hat eine Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid, und durch das zusätzliche Abscheiden eines weiteren Halbleitermaterials als eine weitere Schicht auf der einen Oberfläche des Substrats nach der Schicht aus Cadmiumtellurid, so dass eine weitere Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid existiert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird jede Schicht aus Halbleitermaterial zusätzlich zur Schicht aus Cadmiumtellurid durch das Einleiten von Dampf in die eingeschlossene Umgebung abgeschieden, um das Abscheiden auf der einen Oberfläche des Substrats während des Vorschiebens durchzuführen.
Nach dem Abscheiden der Schicht aus Cadmiumtellurid erfolgt vorzugsweise eine rasche Abkühlung des Substrats mit einer solchen Geschwindigkeit, dass eine Kompressionsspannung entsteht, durch welche die Glasplatte verfestigt wird.
Das Abscheiden der Schicht aus Cadmiumtellurid erfolgt vorzugsweise, indem das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von ca. 570°C bis 600°C erhitzt und anschließend das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 640°C erhitzt wird, von wo aus eine rasche Abkühlung erfolgt, um die Kompressionsspannungen zu erzeugen, welche die Glasplatte verfestigen.
Zur Lösung der Aufgabe, kostengünstigere elektrische Energie zu liefern, umfasst die Anlage gemäß der Erfindung zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung eine Umschließung mit einem Innenraum zur Begrenzung einer kontrollierten Umgebung. Ein Ofen der Anlage befindet sich innerhalb der Umschließung und weist ein Gehäuse auf, das eine Hitzekammer definiert, die mit dem Innenraum der Umschließung derart in Verbindung steht, dass die kontrollierte Umgebung auch in der Hitzekammer vorhanden ist. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Rollenförderer der Anlage, umfassend horizontale Rollen, die innerhalb der Hitzekammer des Ofens voneinander beabstandet sind, um ein erhitztes Substrat, das eine Glasplatte umfasst, zu halten und vorzuschieben. Jede Rolle weist wenigstens ein Ende auf, das sich aus der Hitzekammer des Ofens durch dessen Gehäuse nach außen erstreckt. Der Rollenförderer umfasst weiterhin einen Rollenantriebsmechanismus, der im Inneren der Umschließung außerhalb des Ofens angeordnet ist, um die Enden der Rollen, die von der Hitzekammer des Ofens durch dessen Gehäuse nach außen vorstehen, in Drehung zu versetzen. Wenigstens eine Abscheidungsstation innerhalb des Ofens führt Heißdampf zu, der als eine Schicht aus Halbleitermaterial auf der nach oben gerichteten Oberfläche des Substrats abgeschieden wird, während dieses an dem Rollenförderer vorgeschoben wird.
Vorzugsweise umfasst die Anlage eine zusätzliche Abscheidungsstation zum Abscheiden auf dem Substrat einer zusätzlichen Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial, die eine Grenzfläche mit der ersten Schicht aus Halbleitermaterial hat. Vorzugsweise umfasst die Anlage zwei weitere Abscheidungsstationen. Eine der beiden zusätzlichen Abscheidungsstationen scheidet auf dem Substrat eine zusätzliche Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial vor der zuerst genannten Schicht aus Halbleitermaterial ab, so dass eine Grenzfläche dazwischen erhalten wird, und die andere der beiden zusätzlichen Abscheidungsstationen scheidet auf dem Substrat eine weitere zusätzliche Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial nach der zuerst genannten Schicht aus Halbleitermaterial ab, so dass eine weitere Grenzfläche dazwischen erhalten wird, die von der anderen Grenzfläche beabstandet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Abscheidungsstation mit einer Ausgangsmaterialhalterung versehen, die innerhalb des Ofens über dem Rollenförderer angeordnet ist, um ein Ausgangsmaterial aufzunehmen, das sublimiert, um den Heißdampf bereitzustellen, der als die Schicht aus Halbleitermaterial abgeschieden wird. Diese Ausgangsmaterialhalterung der Abscheidungsstation umfasst vorzugsweise eine Haltewanne, die nach oben hin geöffnet ist, und die Anlage umfasst vorzugsweise auch einen Deflektor, der über der Ausgangsmaterialhalterung angeordnet ist und eine nach unten geöffnete Form hat. Vorzugsweise umfasst die Ausgangsmaterialhalterung längliche Haltewannen, die nach oben hin geöffnet sind und die sich parallel zu den Förderrollen voneinander beabstandet erstrecken, und die Anlage umfasst darüber hinaus Deflektoren, die über den länglichen Haltewannen angeordnet sind und nach unten geöffnete Formen haben.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abscheidungsstation eine Heißdampfversorgung, deren Temperatur gesteuert werden kann, ohne die Temperatur des Substrats in dem Ofen zu beeinträchtigen, wobei die Heißdampfversorgung eine Versorgungsleitung als ein Mittel umfasst, um der Abscheidungsstation den Heißdampf zum Abscheiden auf der nach oben gerichteten Oberfläche des vorgeschobenen Substrats als die Schicht aus Halbleitermaterial zuzuführen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Heißdampfversorgung einen Erhitzer zum Zuführen des Heißdampfes und eine Quelle für Trägergas zum Transportieren des Heißdampfes von dem Erhitzer durch die Versorgungsleitung zur Abscheidungsstation. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Heißdampfversorgung ein Paar Erhitzer zum Zuführen von separaten Heißdampfbestandteilen des Heißdampfes, und die Heißdampfversorgung umfasst darüber hinaus eine Trägergasquelle zum Transportieren des Heißdampfes von jedem Erhitzer durch die Versorgungsleitungseinrichtung zur Abscheidungsstation.
Bei dem bevorzugten Aufbau der Anlage umfasst der Antriebsmechanismus eine kontinuierliche Antriebsschleife, die die Enden der Förderrollen antreibt, die von dem Ofen innerhalb der Umschließung, die die kontrollierte Umgebung enthält, nach außen vorstehen. Vorzugsweise stehen beide Enden einer jeden Förderrolle von dem Ofen an gegenüberliegenden Seiten davon nach außen vor, und der Antriebsmechanismus umfasst ein Paar kontinuierlicher Antriebsschleifen, die jeweils die Enden der Förderrollen an gegenüberliegenden Seiten des Ofens innerhalb der Umschließung, welche die kontrollierte Umgebung enthält, halten und durch Reibung antreiben.
Der bevorzugte Aufbau der Anlage umfasst darüber hinaus eine Kühlstation, die stromabwärts der Abscheidungsstation angeordnet ist, um das Substrat mit der darauf abgeschiedenen Schicht aus Halbleitermaterial rasch abzukühlen und hierdurch die Glasplatte des Substrats zu verfestigen, so dass ein Produkt mit längerer Lebensdauer entsteht.
Eine photovoltaische Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine Substratplatte mit einer ebenen Glasplatte mit entgegengesetzt gerichteten Oberflächen, von denen jede eine Fläche von wenigstens 1000 cm² hat. Eine Dünnschicht aus Cadmiumtellurid ist auf einer der Oberflächen des Substrats in einer Dicke im Bereich von in etwa 1 bis 5 Mikron abgeschieden und hat Kristalle in einer Größe im Bereich von in etwa ½ bis 5 Mikron. Die Dünnschicht aus Cadmiumtellurid weist eine Verbindung mit der einen Oberfläche des Substrats durch das Abscheiden darauf auf, während die Glasplatte horizontal ausgerichtet ist und innerhalb einer begrenzten Umgebung, die erhitzt wird und in die Dampf aus Cadmium und Tellurium eingeleitet wird, erhitzt wird, um diese als die Schicht aus Cadmiumtellurid auf der einen Oberfläche davon, die nach oben gerichtet ist, abzuscheiden, während die andere Oberfläche davon nach unten gerichtet ist und innerhalb des Randbereichs davon an horizontal verlaufenden Rollen zum horizontalen Fördern, während die Ebenheit der Glasplatte aufrechterhalten wird, gehalten wird. Diese photovoltaische Vorrichtung besitzt eine gute kristalline Qualität und eine gute Haftung zur entsprechenden Verbesserung des Wirkungsgrads und der tatsächlichen Lebensdauer des relativen großen Bereichs der Vorrichtung, um die Aufgabe der Erfindung zur Erzeugung kostengünstiger elektrischer Energie zu lösen.
Bei dem bevorzugten Aufbau der photovoltaischen Vorrichtung ist eine Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial auf der einen Oberfläche des Substrats abgeschieden und hat eine Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid. Diese zusätzliche Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial kann auf der einen Oberfläche des Substrats vor der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden werden, so dass eine Grenzfläche mit der Schicht aus Cadmiumtellurid vorhanden ist, wobei in diesem Fall diese zusätzliche Schicht aus Halbleitermaterial vorzugsweise aus Cadmiumsulfid besteht. Die zusätzliche Schicht aus einem weiteren Halbleiter kann darüber hinaus auf der einen Oberfläche des Substrats nach der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden werden, so dass eine Grenzfläche zur Schicht aus Cadmiumtellurid vorhanden ist. Bei dem offenbarten und bevorzugten Aufbau umfasst die photovoltaische Vorrichtung eine weitere Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial, das auf der einen Oberfläche des Substrats vor der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden ist und eine Grenzfläche zu dieser hat, wobei die photovoltaische Vorrichtung darüber hinaus eine weitere Schicht aus einem weiteren Halbleitermaterial aufweist, das auf der einen Oberfläche des Substrats nach der Schicht aus Cadmiumtellurid abgeschieden ist und einen weiteren Verbindungsbereich mit der Schicht aus Cadmiumtellurid hat.
Darüber hinaus umfasst die photovoltaische Vorrichtung auch einen ersten elektrisch leitenden Film auf der einen Oberfläche des Substrats, auf welcher die zuerst abgeschiedene Schicht abgeschieden ist und umfasst darüber hinaus einen zweiten elektrisch leitenden Film, der auf der einen Oberfläche des Substrats über der zum Schluss abgeschiedenen Schicht abgeschieden ist. Diese elektrisch leitenden Filme fungieren als Elektroden für die photovoltaische Vorrichtung.
Bei dem bevorzugten Aufbau der photovoltaischen Vorrichtung ist die Glasplatte des Substrats durch Hitze verfestigt, wobei gegenüberliegende Oberflächen komprimiert werden und ein zentraler Abschnitt mit Spannung beaufschlagt wird.
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Draufsicht eines Systems zur Herstellung von photovoltaischen Vorrichtungen gemäß der Erfindung;
2 ist eine Vorderansicht einer photovoltaischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;
3 ist eine Ansicht im Schnitt der photovoltaischen Vorrichtung in 2 entlang der Linien 3-3, um den Schichtaufbau zu zeigen;
4 ist eine Ansicht im Schnitt der photovoltaischen Vorrichtung in derselben Richtung wie 3, jedoch in einem vergrößerten Maßstab und teilweise aufgebrochen, um den Aufbau des abgeschiedenen Halbleitermaterials und des anderen Materials auf einer Glasplatte des Substrats zu zeigen;
5 ist eine Ansicht, in der die Art und Weise gezeigt ist, in der die photovoltaische Vorrichtung verwendet wird, um Solarenergie zu absorbieren und somit elektrische Energie zu liefern;
6 ist eine Vorderansicht im Längsschnitt entlang der Linien 6-6 in 1, um die erfindungsgemäße Anlage zu zeigen, die einen Abscheidungsbereich mit mehreren Abscheidungsstationen und darüber hinaus eine Kühlstation, die stromabwärts des Abscheidungsbereichs angeordnet ist, umfasst;
7 ist eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 7-7 in 6, um weiterhin den Aufbau des Abscheidungsbereichs zu zeigen;
8 ist eine teilweise gebrochene Vorderansicht entlang der Linie 8-8 in 7, um weiterhin den Aufbau der Abscheidungsstation zu zeigen;
9 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der Abscheidungsstation zeigt; und
10 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Abscheidungsstation.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In 1 der Zeichnungen ist ein allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnetes System derart aufgebaut, um photovoltaische Vorrichtungen 22 herzustellen, wie in den 2 bis 5 gezeigt. Die Art der mit der Anlage hergestellten photovoltaischen Vorrichtungen oder Solarzellen umfasst eine Substratplatte 24, die eine Glasplatte 26 (4) umfasst und in entgegengesetzte Richtungen weisende Oberflächen 28 und 30 aufweist, wie im Folgenden genauer beschrieben. Zur Herstellung von kostengünstiger elektrischer Energie weist das Substrat 24 eine große Fläche auf, die größer als in etwa 1000 cm² ist und hat bei der speziell dargestellten Ausführungsform eine Größe von 60 auf 120 cm, was in etwa 2 auf 4 Fuß entspricht. Nach dem Abscheiden des Halbleitermaterials 32 (4) auf der einen Oberfläche 28 des Substrats 24 sowie nach dem anderen Verfahrensvorgang, der im Folgenden ausführlich beschrieben ist, hat die fertiggestellte photovoltaische Vorrichtung 22 Zellen 34, die sich, wie dargestellt, seitlich zwischen den gegenüberliegenden Querseiten 36 (2) des Substrats erstrecken und miteinander in Reihe geschaltet sind, wie ebenfalls im Folgenden näher beschrieben ist. Man beachte zudem, dass die Zellen 34 auch in Längsrichtung zwischen den gegenüberliegenden Enden 40 des Substrats verlaufen könnten und dennoch wirksam funktionieren würden. Elektrische Anschlüsse 38 an den gegenüberliegenden Enden 40 des Substrats ermöglichen eine elektrische Verbindung dieser als Teil eines photovoltaischen Feldes. Insbesondere sind, wie in 5 gezeigt ist, drei der photovoltaischen Vorrichtungen 22, die von einem geeigneten Rahmen 42 in einem geeigneten Winkel durch Grundhalterungen 44 gehalten werden, Ende an Ende angeordnet, so dass sie Licht von der Sonne 46 erhalten und dadurch elektrische Energie erzeugen.
Die Arbeitsweise des in 1 gezeigten Systems 20 beginnt mit einer Substratplatte 24, wie in 4 gezeigt, mit einer Glasplatte 26, die 5 mm (3/16 Zoll) dick ist, mit einem Film 48 aus Zinnoxid, das mittels chemischer Dampfabscheidung in einer Dicke von 0,4 Mikron abgeschieden wurde, um die optische Qualität zu verbessern, wenn sie zu architektonischen Zwecken verwendet wird. Ein Siliziumdioxidfilm 50 wird mittels chemischer Dampfabscheidung in einer Dicke von 0,02 Mikron auf dem Zinnoxidfilm abgeschieden, um eine Barriere zu bilden. Ein weiterer Zinnoxidfilm, der 0,03 Mikron dick ist und mit Fluor dotiert ist, wird auf dem Silizumdioxidfilm 50 abgeschieden und fungiert als Reflexionsfilm bei der architektonischen Verwendung, wobei die Fluordotierung die Reflexionseigenschaft verbessert. Dieser zweite Zinnoxidfilm 52 fungiert als eine Elektrode der photovoltaischen Vorrichtung 22, wie im Folgenden genauer beschrieben. Ein solches Substrat 24 mit den auf der Glasplatte 26 abgeschiedenen Filmschichten 48, 50 und 52 ist käuflich erhältlich und bildet ein Anfangsprodukt, aus dem die photovoltaische Vorrichtung 22 mit dem in 1 gezeigten System 20 hergestellt werden kann.
In 1 umfasst das System 20 eine Ladestation 54, an der die Substratplatte für die Bearbeitung geladen wird. Nach dem Laden wird das Substrat an eine Glaswasch- und Trockenstation 56 vom kommerziell erhältlichen Typ übertragen. Ein Eckförderer 58 überträgt das Substrat von der Wasch- und Trockenstation 56 zu einer Laser-Anreißstation 60, die den Zinnoxidfilm 52 an den Reißlinien 62 (4) durchschneidet, um die Zellen 34 voneinander zu isolieren. Das angeritzte Substrat wird anschließend zu einer weiteren Wasch- und Trockenstation 64 übertragen, um einen Wasch- und Trockenvorgang vor der Abscheidung des Halbleiters durchzuführen. Anschließend wird das gewaschene und getrocknete Substrat an eine Test/Ausschuss-Station 66 übertragen, um sicherzustellen, dass durch das vorhergehende Laserritzen die Zellen isoliert wurden.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 umfasst das System 20 einen geeigneten Erhitzer 68 zum Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur im Bereich von in etwa 550°C bis 640°C in Vorbereitung auf die Halbleiterabscheidung. Anschließend wird das Substrat zu der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Anlage 70 transportiert, die einen Abscheidungsbereich 72 umfasst, der mit drei Abscheidungsstationen 74, 76 und 78 zur Abscheidung von Schichten aus Halbleitermaterial gezeigt ist. Insbesondere wird durch die erste Abscheidungsstation 74 eine Cadmiumsulfidschicht 80 (4) abgeschieden, die 0,05 Mikron dick ist und als ein N-Typ-Halbleiter fungiert. Die Abscheidungsstation 76, die in 1 gezeigt ist, scheidet eine Cadmiumtelluridschicht 82 ab, die 1,6 Mikron dick ist und als ein I-Typ-Halbleiter fungiert. Anschließend scheidet die Abscheidungsstation 78 eine weitere Halbleiterschicht 84 (4) ab, die 0,1 Mikron dick ist und aus Zinktellurid besteht, und als ein P-Typ-Halbleiter fungiert. Die Halbleiterschichten 80 und 82 haben eine Grenzfläche 81 zur Schaffung eines Übergangsbereichs vom N-I-Typ, während die Halbleiterschichten 82 und 84 eine Grenzfläche 83 zur Schaffung eines weiteren Übergangsbereichs vom I-B-Typ aufweisen. Diese Grenzflächen 81 und 83 liegen üblicherweise im atomischen Maßstab nicht sofort vor, sondern erstrecken sich über eine große Anzahl von atomischen Schichten in einem Übergangsbereich.
Die Anlage 70 der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus in 1 gezeigt und umfasst eine Kühlstation 86, die ein rasches Abkühlen des Glasplattensubstrats mit dem darauf abgeschiedenen Halbleitermaterial ermöglicht, um die Glasplatte zu verfestigen, wie im Folgenden genauer beschrieben.
Ein in 1 gezeigter Eckförderer 88 erhält das Substrat von der Kühlstation 86 und kann ebenfalls zur zusätzlichen Abkühlung dieser vor der Übertragung an eine Fehlstellen-Reparaturstation 90 beitragen. Eine geeignete Abtastvorrichtung der Fehlstellen-Reparaturstation 90 tastet das Substrat ab, um irgendwelche Fehlstellen in den abgeschiedenen Halbleiterschichten dadurch zu erfassen, indem es das Substrat über einen hinterleuchteten Bereich führt und anschließend die Information an ein computergesteuertes Mehrfachkopf-Verteilungssystem überträgt, welches die Fehlstelle mit einem geeigneten viskosen, nicht-leitenden Material auffüllt. Im Anschluss an eine derartige Reparatur wird das Substrat an eine zweite Laserritzstation 92 übertragen, die Ritze 94 (4) durch die Halbleiterschichten 80, 82 und 84 zwischen den gegenüberliegenden Querseiten des Substrats an von den Ritzen 62 in der Zinnoxidschicht 52, die als die Elektrode fungiert, beabstandeten Stellen schneidet. Nach dem Ritzen des Halbleiters an der Station 92 wird das Substrat von einem Eckförderer 96 aufgenommen, der zusätzlich ein Unterdruckgebläse zum Entfernen des Halbleitermaterials, das sich durch das Ritzen löst, umfasst.
Eine Sputterstation 98 nimmt das Substrat von dem in 1 gezeigten Eckförderer 96 auf und scheidet eine Nickelschicht 100 (4) auf den Halbleiterschichten und an den Seiten- und Bodenflächen der Ritzlinien 94 ab. Diese Nickelzerstäubung erfolgt vorzugsweise durch das Gleichstrommagnetronsputtern und braucht lediglich in etwa 10 Nanometer (100 Ångström) dick zu sein, um einen stabilen Kontakt für eine anschließende Abscheidung zu schaffen. Danach wird das Substrat an eine Sputterstation 102 übertragen, die eine Aluminiumschicht 104, die 0,3 Mikron dick ist, auf der Nickelschicht 100 abscheidet, um als eine Elektrode an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichten zu fungieren, wie dies der Zinnoxidfilm 52 tut, der als die andere Elektrode fungiert. Die Aluminiumschicht 104 wird durch In-Line-Mehrfachkathoden-Gleichstrommagnetronsputtern abgeschieden. Anschließend wird das Substrat von einer weiteren Sputterstation 106 aufgenommen, die eine weitere Nickelschicht 108 auf der Elektrodenaluminiumschicht 104 abscheidet, um eine Oxidation der Aluminiumschicht zu verhindern.
Eine dritte Laserritzstation 110 ist in 1 gezeigt und erhält das Substrat von der Sputterstation 106 und schneidet danach Ritzlinien 112 (4) durch die Elektrodenaluminiumschicht 104 und in deren benachbarten Nickelschichten 100 und 108 sowie durch die Halbleiterschichten, um die Isolation der Zellen 34 zwischen den gegenüberliegenden Querseiten des Substrats zu vervollständigen. Nach dem Verlassen der Ritzstation entfernt ein Gebläse 114 irgendwelche losen Partikel von dem Substrat, bevor es an eine Modulstation 116 übertragen wird, die die resultierende photovoltaische Vorrichtung unter einer bestimmten Beleuchtung testet, wobei das elektrische Ausgangssignal zum Vergleich mit einem Standardwert verglichen wird, um festzustellen, ob das Produkt zufriedenstellend ist. Die zufriedenstellenden Substrate werden dann an eine Anordnungsstation 118 übertragen, bei der Sammelschienen durch Ultraschall an den Enden eines jeden Substrats angeschweißt werden und Drahtleiter an den Sammelschienen zum Verbinden der photovoltaischen Vorrichtung in einem Feld angelötet werden. Danach werden die photovoltaischen Vorrichtungen 22 an eine Einhäusestation 120 übertragen, an der eine geeignete Hüllschicht 122 (4) aufgebracht wird und in einer Ultraviolettlichtkammer vor der Übertragung an eine Abnahmestation 124 ausgehärtet wird. Anschließend werden die komplettierten photovoltaischen Vorrichtungen 22 wie zuvor anhand der 5 beschrieben in Panelen zur Herstellung eines photovoltaischen Feldes, das elektrische Energie erzeugt, angeordnet.
Man beachte, dass das mit der Anlage 70 der vorliegenden Erfindung verwendete System 20 mit anderen als die gezeigten Stationen aufgebaut werden kann. Zum Beispiel kann anstelle der Laserritzstationen 60, 92 und 110 zur Festlegung der Zellen 34 auch eine photolithographische Musterung zur Bildung der Zellen eingesetzt werden.
In den 6 und 7 umfasst die Anlage 70 zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Umschließung 126, die sich zwischen dem Erhitzer 68 und dem zuvor beschriebenen Eckförderer 88 erstreckt. Diese Umschließung 126 umfasst, wie am besten in 7 zu sehen ist, eine untere Wandung 128, eine obere Wandung 130 und Seitenwandungen 132 sowie untere und obere Dichtungen 134 und 136, welche eine Abdichtung zwischen den Wandungen schaffen, so dass ein begrenzter Innenraum gebildet wird, der eine kontrollierte Umgebung enthalten kann. Geeignete Befestigungsmittel oder Klammern können verwendet werden, um den dichten Zustand der Umschließung 126 zu erhalten.
Wie in 6 gezeigt, umfasst das rechte stromaufwärtige Ende der Umschließung 126 ein Eingangsventil 138, dessen Betätigungselement 140 ein Ventilelement 142 bewegt, um die Umschließung zur Aufnahme eines erhitzten Substrates 24 von dem Erhitzer 68 zu öffnen. Danach schließt das Betätigungselement 140 das Ventilelement 142, um die Umschließung abzudichten. Nach der Halbleiterabscheidung an den Abscheidestationen 74, 76 und 78 des Abscheidungsbereichs 72, wie im Folgenden näher beschrieben, wird ein weiteres Ventil 144 an dem stromabwärtigen linken Ende des Abscheidungsbereichs betätigt, so dass dessen Betätigungselement 146 ein Ventilelement 148 öffnet, um zu ermöglichen, dass das Substrat 24 mit den darauf abgeschiedenen Halbleitermaterialien zur Kühlstation 86 gelangen kann. Während dieser Übertragung wird ein weiteres Ventil 150 an dem stromabwärtigen Ende der Kühlstation 86 mit dessen Betätigungselement 152, das ein Ventilelement 54 davon in eine geschlossene Position bzgl. dem stromabwärtigen Ende der Umschließung 126 positioniert, geschlossen. Das Ventil 144 wird nach der Übertragung des Substrats 24 an die Kühlstation 86 geschlossen, und das Ventil 150 wird anschließend geöffnet, um zu ermöglichen, dass das abgekühlte Substrat 24 von der Kühlstation 86 an den Förderer 88 zur weiteren Verarbeitung, wie zuvor beschrieben, übertragen werden kann.
Wie am besten in den 6, 7 und 8 gezeigt ist, umfasst der Abscheidungsbereich 72 der Anlage einen Ofen 156, der innerhalb der Umschließung 126 angeordnet ist und ein Gehäuse 158 aufweist, das eine Heizkammer 160 definiert, die mit dem Innenraum der Umschließung 126 derart in Verbindung steht, dass die kontrollierte Umgebung darin auch innerhalb der Hitzekammer vorhanden ist. Dieses Ofengehäuse 158 umfasst untere und obere Kühlplatten 162 und 164, die jeweilige Kühlkanäle 166 und 168 aufweisen, durch welche eine geeignete Kühlflüssigkeit strömt. Das Gehäuse 158 umfasst darüber hinaus untere und obere Isolierwandungen 170 und 172 aus einem geeigneten Isoliermaterial sowie untere und obere Seitenisolierwandungen 174 und 176, die ebenfalls aus einem geeigneten Isoliermaterial bestehen. Diese Isolierwandungen 170, 172, 174 und 176 bilden zusammen die Hitzekammer 160, in der die Halbleiterabscheidung erfolgt, wie im Folgenden näher beschrieben. Diese Halbleiterabscheidung erfolgt bei einer erhöhten Temperatur, die durch elektrische Heizelemente 178, die durch Isolatoren 180 an den unteren Isolierwandungen 170 angebracht sind, wie in 8 gezeigt, bereitgestellt wird, und durch geeignete elektrische Heizwiderstandselemente 182, die in die obere Isolierwandung 172 eingebettet sind.
Bezugnehmend auf die beiden 6 und 7 umfasst die Anlage 70 darüber hinaus einen Rollenförderer 184 mit horizontalen Rollen 186, die voneinander innerhalb der Hitzekammer 160 beabstandet sind, um das erhitzte Substrat 24, das wie zuvor beschrieben eine Glasplatte umfasst, zu halten und vorzuschieben. Wie am besten in 7 dargestellt, erstreckt sich wenigstens ein Ende 188 und vorzugsweise beide Enden einer jeden Rolle 186 von der Hitzekammer 160 des Ofens 156 durch das Gehäuse 158 des Ofens nach außen. Insbesondere erstrecken sich die Rollenenden 188, wie in 8 gezeigt, durch Löcher nach außen, die von zusammenwirkenden halbkreisförmigen Öffnungen 190 und 192 in den unteren und oberen Seitenisolierwandungen 174 und 176 an deren in Eingriff stehenden Grenzflächen 194 gebildet werden. Die Rollenenden 188 werden durch einen Rollenantriebsmechanismus 196 des Rollenförderers 184 angetrieben. Dieser Rollenantriebsmechanismus 196 befindet sich, wie in 7 gezeigt, in dem Innenraum der Umschließung 126 außerhalb des Ofens 156, um die Rollenenden, wie im Folgenden genauer beschrieben, anzutreiben, um das Substrat 24 während der Halbleiterabscheidung vorzuschieben.
Der Abscheidungsbereich 72 der Anlage 70, wie in 6 dargestellt und vorstehend beschrieben, umfasst wenigstens eine Abscheidungsstation und vorzugsweise drei Abscheidungsstationen 74, 76 und 78 innerhalb des Ofens 156 zum Zuführen eines Heißdampfes, der als eine Schicht aus Halbleitermaterial an der nach oben gerichteten Oberfläche des Substrats 24 während des Vorschiebens auf dem Rollenförderer 184 abgeschieden wird. Insbesondere liefert die eine Abscheidungsstation 74 Heißdampf aus Cadmiumisulfid, der als die Cadmiumsulfidschicht (4) abgeschieden wird, während die Abscheidungsstation 76, wie in 6 gezeigt, Heißdämpfe zuführt, die als die Cadmiumtelluridschicht 82 (4), welche die Grenzfläche 81 zur Cadmiumsulfidschicht 80 hat, abgeschieden werden. Des Weiteren liefert die Abscheidungsstation 78, wie in 6 gezeigt ist, Heißdämpfe, die als eine weitere Halbleiterschicht abgeschieden werden, wie z. B. die Zinktelluridschicht 84, welche die Grenzfläche 83 zur Cadmiumtelurridschicht 82 hat.
In Bezug auf die 7 und 8 umfasst die eine Abscheidungsstation 76, die auch die Abscheidungsstationen 74 und 78 veranschaulicht, eine Ausgangsmaterialhalterung 198, die innerhalb des Ofens 156 über dem Rollenförderer 184 angeordnet ist, um das Ausgangsmaterial 200 aufzunehmen, das in diesem Fall aus Cadmiumtellurid besteht, welches das von der Anlage abgeschiedene Haupt-Halbleitermaterial ist. Dieses Ausgangsmaterial sublimiert aufgrund des erhitzten Zustands der Ofenkammer 160, um elementare Cadmium- und Telluriumdämpfe bereitzustellen, die auf dem vorgeschobenen Substrat 24, das von dem Rollenförderer 184 getragen wird, abgeschieden werden. Insbesondere umfasst die Ausgangsmaterialhalterung 198 der Abscheidungsstation 176 wenigstens eine Haltewanne 202, die nach oben hin geöffnet ist, um das Ausgangsmaterial 200 aufzunehmen, und vorzugsweise sind mehrere solcher Haltewannen vorgesehen, wie im Folgenden genauer beschrieben. Die Abscheidungsstation umfasst darüber hinaus einen Deflektor 204, der über der Ausgangsmaterialwanne 202 angeordnet ist und eine nach unten geöffnete Form aufweist. Wie zu sehen ist, sind mehrere Haltewannen 202 vorgesehen, die jeweils eine längliche Form haben und nach oben in Richtung parallel zu den Förderrollen geöffnet sind und mit ihren gegenüberliegenden Enden durch geeignete Halterungen 206 an den oberen seitlichen Isolierwandungen 176 innerhalb der Ofenkammer 160 befestigt sind. In ähnlicher Weise haben die Deflektoren 204 ebenfalls längliche Formen in Richtungen parallel zu den Förderrollen 186 und sind mit deren gegenüberliegenden Enden durch die Halterungen 206 an den oberen seitlichen Isolierwandungen 176 befestigt. Die Wannen 202 und die Deflektoren 204 bestehen vorzugsweise aus Quarz, so dass sie der erhöhten Temperatur, auf die der Ofen während der Halbleiterabscheidung erhitzt wird, standhalten können. Des Weiteren lenken die Deflektoren 202 nicht nur die erhitzten Dämpfe nach unten in Richtung auf das Substrat 24 zum Zwecke der Abscheidung, sondern schaffen auch eine Abschirmung, die verhindert, dass Material von oben nach unten fällt und die Qualität des Halbleiters, der abgeschieden wird, zerstört. Des Weiteren bilden, wie in 6 gezeigt ist, ein Paar Dampfsperren 207 einen Schlitz, der es ermöglicht, das Substrat 24 von der Abscheidungsstation 74 zur Abscheidungsstation 76 vorzuschieben, wobei jedoch die Dampfsperren das Strömen von heißen Dämpfen zwischen diesen Stationen begrenzt. Ein weiteres Paar ähnlicher Dampfsperren 207 hat dieselbe Funktion zwischen den Abscheidungsstationen 76 und 78.
In 9 umfasst eine weitere Ausführungsform der Abscheidungsstation 76a eine Heißdampfversorgung 208, deren Temperatur ohne die Beeinträchtigung der Temperatur des Substrats 24 innerhalb des Ofens 156 gesteuert werden kann. Die Heißdampfversorgung umfasst eine Versorgungsleitung 210 als ein Mittel zum Zuführen von Heißdampf zum Zwecke der Abscheidung auf dem Substrat 24, das von dem Förderer 184 vorgeschoben wird. Insbesondere umfasst diese Ausführungsform einen Erhitzer 212, in dem das Ausgangsmaterial 200, wie z. B. Cadmiumtellurid, erhitzt wird, um die Heißdämpfe aus Cadmium und Tellurium, die durch die Leitung 210 zu dem Ofen 156 geleitet werden, zu erzeugen. Dieser Erhitzer 212 ist, wie zu sehen ist, außerhalb des Ofens 156 und außerhalb der Umschließung 126 angeordnet, wobei sich die Leitung 210 in die Umschließung und in den Ofen erstreckt, um die Heißdämpfe zum Zwecke der Abscheidung zuzuführen. Man beachte jedoch, dass der Erhitzer 212 auch in der Umschließung 126 außerhalb des Ofens 156 oder innerhalb der durch den Ofen erhitzten Kammer 160 vorhanden sein kann, ohne die Temperatur des Substrats zu beeinträchtigen, wie z. B. durch die Verwendung einer Isolierung und/oder der Anordnung an einer von dem Substrat entfernten Stelle. Darüber hinaus ist eine Quelle 214 für ein Trägergas vorgesehen, wie z. B. Nitrogen, das durch ein Steuerventil 216 zugeführt wird, um die Übertragung der Heißdämpfe von dem Erhitzer 212 zum Ofen 156 zu unterstützen. Ein weiterer Vorteil des außerhalb befindlichen Ausgangsmaterialerhitzers 212 besteht darin, dass er in einfacher Weise unabhängig von der Temperatur innerhalb des Ofens 156 bei der Erhitzung des Ausgangsmaterials zum Zwecke der Abscheidung bei Bedarf gesteuert werden kann.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform der Abscheidungsstation 76b innerhalb des Ofens 156 gezeigt und umfasst ebenfalls eine Heißdampfversorgung 208, die ein Paar Ausgangsmaterialerhitzer 212' zum jeweiligen Erhitzen von elementarem Cadmium und Tellurium unabhängig voneinander umfasst. Diese Erhitzer liefern Heißdämpfe durch die Leitung 210 in das Innere des Ofens 156 vorzugsweise durch die Verwendung eines Trägergases, wie z. B. das von der Quelle 214 durch die Steuerventile 216' und 216'', die den jeweiligen Rohrverzweigungen 210' und 210'' zugeordnet sind, zugeführte Nitrogen.
Der in 6 gezeigte Antriebsmechanismus 196 umfasst eine kontinuierliche Antriebsschleife 218 mit einem Antriebsabschnitt 220 und einem Rückführungsabschnitt 222. Bei dem in 7 gezeigten bevorzugten Aufbau ist ein Paar Antriebsschleifen 218 vorgesehen, die jeweils die Förderrollenenden 188 an den gegenüberliegenden Querseiten des Ofens halten und drehend antreiben. Diese Antriebsschleife 218 ist vorzugsweise in Form einer Antriebskette vorgesehen, die, wie in 6 gezeigt ist, an ihrem stromaufwärtigen Ende durch einen Antriebszahnkranz 224 und an seinem stromabwärtigen Ende durch einen weiteren Zahnkranz 226 aufgenommen ist. Obere Halterungen 228 an den Seitenwandungen 132 der Umschließung tragen, wie in 7 gezeigt ist, die Antriebsabschnitte 220 des Paars von Antriebsschleifen 218, während die unteren Halterungen 230 die unteren Rückführungsabschnitte 222 der Antriebsschleifen gleitbeweglich tragen. Eine geeignete, durch einen elektrischen Motor angetriebene Antriebswelle, die sich in die Umschließung 126 durch eine Dichtung erstreckt, setzt die Antriebszahnräder 220, die die Antriebsketten im Gegenuhrzeigersinn aufnehmen, in Drehung, um die oberen Antriebsabschnitte 220 in Richtung nach rechts zu bewegen und dadurch die Förderrollen 186 im Gegenuhrzeigersinn durch Reibung antreiben, um das Substrat 24 nach links vorzuschieben. In 7 gezeigte Positionierelemente 232 können geeignete Rollen umfassen, die in die Rollenenden 188 eingreifen, um die Förderrollen 186 entlang der Längserstreckung der Anlage durch den Abscheidungsbereich 72 und durch die Kühlstation 86 zu positionieren.
Brennöfen zum Erhitzen von Glasplatten in der Umgebung, im Gegensatz zu einer kontrollierten Umgebung innerhalb einer Umschließung gemäß der vorliegenden Erfindung, sind in den U.S.-Patentschriften 3,934,970 ; 3,947,242 ; und 3,994,711 offenbart. Diese Brennöfen weisen Rollenförderer auf, deren Rollen durch Reibung von kontinuierlichen Antriebsschleifen, d. h. Ketten, in derselben Weise wie der Rollenförderer gemäß der vorliegenden Erfindung angetrieben werden.
In 6 umfasst die Kühlstation 86 einen unteren und einen oberen Druckluftkopf 234 bzw. 236, die jeweils unterhalb bzw. oberhalb des Rollenförderers 184 angeordnet sind und Düsen zum Zuführen von Abschreckgas, wie z. B. Nitrogen, welches das Substrat 24 mit dem darauf abgeschiedenen Halbleitermaterial rasch abkühlt, um dadurch die Glasplatte des Substrats zu verfestigen, aufweisen. Insbesondere werden durch diese rasche Abkühlung die gegenüberliegenden Oberflächen der Glasplatte mit Druck beaufschlagt und der zentrale Bereich zwischen den Oberflächen mit einer Spannung versehen.
Das Verfahren, mit dem die photovoltaische Vorrichtung in der zuvor beschriebenen Anlage 70 hergestellt wird, beginnt mit der Schaffung einer eingeschlossenen Umgebung innerhalb des Ofens 156 durch das Ziehen eines Vakuums oder durch die Schaffung einer anderen kontrollierten Umgebung innerhalb der Umschließung 126. Diese kontrollierte oder eingeschlossene Umgebung kann ein geeignetes inertes Gas oder ein inertes Gas zusammen mit Sauerstoff umfassen, solange keine Veränderliche oder veränderliche Größen vorhanden sind, welche die kontrollierte Halbleiterabscheidung stören, wie z. B. veränderlicher Wasserdampf in der Atmosphäre. Wie zuvor angegeben, ist es auch möglich, dass ein Vakuum vorhanden ist, das die kontrollierte, in der Umschließung 126 enthaltene Umgebung bildet und demzufolge auch innerhalb des Ofens 156 vorhanden ist. Die Höhe des Vakuums kann so variiert werden, um die besten Ergebnisse zu erreichen. Es konnte zum Beispiel festgestellt werden, dass ein Vakuum von 667 Pa (5 Torr) insofern besser ist als ein Vakuum von 133 Pa (1 Torr), als dass eine kürzere mittlere freie Weglänge für die erhitzten Halbleitermaterialdämpfe, die während des zuvor beschriebenen Verfahrens zugeführt werden, vorhanden ist und eine geringere Dampftransportstrecke und -abscheidung an der gegenüberliegenden Seite des Substrats an der beabsichtigten Seite, an der die Abscheidung erfolgen soll, erforderlich ist. Andererseits ist die Abscheidungsrate höher bei einem geringeren Druck, und die Gleichförmigkeit der Abscheidung ist zudem sowohl von dem Druck als auch von der Temperatur abhängig. Darüber hinaus wird die eingeschlossene Umgebung auf einen Temperaturbereich von etwa über 650°C erhitzt, so dass das Cadmiumtellurid nicht an den Ofenwandungen abgeschieden wird, und der Materialhalter 198 wird vorzugsweise auf etwa 700°C erhitzt, um das Cadmiumtellurid-Ausgangsmaterial 200 bei einer ausreichend schnellen Geschwindigkeit zur raschen Abscheidung zu sublimieren.
Das Verfahren wird fortgesetzt durch das Einleiten von Heißdämpfen, die für das zuvor beschriebene Haupt-Halbleitermaterial aus Cadmium und Tellurium bestehen. Durch das Fördern der Substratplatte 24 mit der auf eine Temperatur in dem Bereich von in etwa 550°C bis 640°C aufgeheizten Glasplatte 26 innerhalb dieser eingeschlossenen Umgebung wird eine kontinuierliche Abscheidung bei erhöhter Temperatur einer Schicht aus Cadmiumtellurid auf der einen Oberfläche 28 des Substrats, wie zuvor beschrieben, erreicht, um als ein Halbleiter zum Absorbieren von Solarenergie zu fungieren. Diese Cadmiumtelluridschicht 82 weist, wie in 4 gezeigt, eine Grenzfläche 81 zur Cadmiumsulfidschicht 80 auf, um einen N-I-Übergangsbereich benachbart zur Seite der Glasplatte der Cadmiumtelluridschicht zu schaffen. In ähnlicher Weise schafft die Grenzfläche 83 der Cadmiumtelluridschicht 82 zur Zinktelluridschicht 84 oder eines weiteren P-Typ-Halbleiters einen P-I-Übergangsbereich, so dass die resultierende photovoltaische Vorrichtung vom N-I-P-Typ ist.
Wie zuvor beschrieben, wird das Verfahren mit dem horizontal innerhalb der eingeschlossenen Umgebung ausgerichteten Substrat 24 durchgeführt, wobei die eine Oberfläche 28 des Substrats nach oben gerichtet ist, um das Cadmiumtellurid darauf abzuscheiden, und wobei die andere Oberfläche 30 des Substrats nach unten gerichtet ist und innerhalb deren Randbereich zum horizontalen Vorschieben gehalten wird. Dieses Halten des Substrats erfolgt durch die horizontal verlaufenden Rollen 186 des Rollenförderers 184 während der Abscheidung der Schicht aus Cadmiumtellurid auf der nach oben weisenden Oberfläche des Substrats, wobei durch dieses Halten relativ große Glasplattensubstrate kontinuierlich der Halbleiterabscheidung zugeführt werden können, während die Ebenheit trotz der Weichheit und Tendenz der Glasplatte, sich im erhitzten Zustand durchzubiegen, beibehalten wird.
Wie zuvor anhand der 6 beschrieben, wird das Verfahren durch die drei Abscheidestation 74, 76 und 78 fortgeführt, um jede der Halbleiterschichten 80, 82 und 84 abzuscheiden, wobei die Schichten 80 und 82 eine gemeinsame Grenzfläche 81 haben und die Schichten 82 und 84 eine gemeinsame Grenzfläche 83 haben. Wie zuvor beschrieben, werden die besten Ergebnisse erreicht, wenn die Cadmiumsulfidschicht auf der Substratfläche 28 vor der Cadmiumtelluridschicht 82 abgeschieden wird und eine weitere P-Typ-Halbleiterschicht 84 nach der Cadmiumtelluridschicht abgeschieden wird.
Nach der Abscheidung des Halbleitermaterials wird, wie zuvor beschrieben, das erhitzte Substrat in der Kühlstation 86 mit einer Geschwindigkeit rasch abgekühlt, wodurch eine Kompressionsbeanspruchung entsteht, durch welche die Glasplatte verfestigt wird. Insbesondere wird dieser Vorgang vorzugsweise ausgeführt, indem die Abscheidung der Schicht aus Cadmiumtellurid erfolgt, wenn das Substrat 24 auf eine Temperatur im Bereich von in etwa 570°C bis 600°C, und anschließend das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von in etwa 600°C bis 640°C, erhitzt wurde, von wo aus eine rasche Abkühlung erfolgt, um die Kompressionsbeanspruchung und Verfestigung der Glasplatte zu bewirken. Durch einen solchen Vorgang wird die Zeit reduziert, in der die Glasplatte eine erhöhte Temperatur hat, bei der sie dazu neigt, sich durchzubiegen, während dennoch ein ausreichend heißer Zustand vor dem Abkühlen geschaffen wird, um die Bildung der Kompressionsbeanspruchung, die die Glasplatte verfestigt, zu erleichtern.
Die resultierende, mit der zuvor beschriebenen Anlage und dem Verfahren hergestellte photovoltaische Vorrichtung 22 weist eine Dünnschicht 82 bestehend aus dem auf der einen Oberfläche 28 des Substrats 24 abgeschiedenen Cadmiumtellurid mit einer Dicke, die sich im Bereich von in etwa 1 bis 5 Mikron bewegt, und einer Kristallgröße im Bereich von in etwa ½ bis 5 Mikron auf. Diese Dünnschicht 82 aus dem Cadmiumtellurid besitzt eine verbesserte Haftung mit der einen Oberfläche des Substrats aufgrund deren Abscheidung, während die Glasplatte auf eine Temperatur im Bereich von in etwa 550°C bis 640°C in der eingeschlossenen Umgebung erhitzt wird, die, wie zuvor beschrieben, auf eine Temperatur von über 650°C erhitzt wird, und in welche Dämpfe aus Cadmium und Tellurium eingeleitet werden. Durch dieses Einleiten erfolgt die Abscheidung auf der einen Substratoberfläche 28 als die Schicht 82 aus Cadmiumtellurid.
Darüber hinaus hat die photovoltaische Vorrichtung 22 den anhand der 4 zuvor beschriebenen Aufbau in Bezug auf die anderen Halbleiterschichten und Filme, die darauf abgeschieden werden, um die Elektroden und die Zellen zu bilden, die voneinander getrennt sind, jedoch durch die Halbleiterschichten in Reihe geschalten sind. Man beachte insbesondere, dass die Heißverfestigung der Glasplatte 26 des Substrats durch das Abkühlen von der Aushärttemperatur aus eine verbesserte Haftung des Cadmiumtellurid an der einen Oberfläche 28 des Substrats schafft.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, dass das beschriebene Verfahren und die Anlage eine photovoltaische Vorrichtung hervorbringen, die die Erzeugung von kostengünstiger elektrischer Energie ermöglicht.
Obwohl die besten Ausführungsformen der Erfindung genau beschrieben wurden, sind dennoch auch andere Verfahren, Anlagen und photovoltaische Vorrichtungen gemäß der Erfindung realisierbar, wie in den folgenden Ansprüchen festgelegt.

Claims

Anlage (70) für die Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22), aufweisend: – eine Umschließung (126) mit einem Innenraum zur Aufnahme einer kontrollierten Umgebung, – einen Ofen (156), der innerhalb der Umschließung (126) angeordnet ist und ein Gehäuse (158) aufweist, das eine Hitzekammer (160) bildet, die mit dem Innenraum der Umschließung (126) derart in Verbindung steht, dass die kontrollierte Umgebung auch in der Hitzekammer (160) vorhanden ist, gekennzeichnet durch – einen Rollenförderer (184) mit innerhalb der Hitzekammer (160) des Ofens (156) voneinander beabstandeten horizontalen Rollen (186) zum Halten und Vorschieben eines erhitzten Substrats (24), das eine Glasplatte umfasst, wobei jede Rolle (186) wenigstens ein Ende (188) hat, das sich von der Hitzekammer (160) des Ofens (156) durch dessen Gehäuse (158) nach außen erstreckt, und wobei der Rollenförderer (184) darüber hinaus einen Rollenantriebsmechanismus (196) umfasst, der im Inneren der Umschließung (126) außerhalb des Ofens (156) angeordnet ist, um die Enden (188) der Rollen, die von der Hitzekammer (160) des Ofens (156) durch dessen Gehäuse (158) nach außen vorstehen, in Drehung zu versetzen, und – wenigstens eine Abscheidungsstation (76) innerhalb des Ofens (156), um Heißdampf zuzuführen, der als eine Schicht (82) aus Halbleitermaterial auf der nach oben gerichteten Oberfläche des Substrats (24) abgeschieden wird, während dieses an dem Rollenförderer (184) vorgeschoben wird.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, aufweisend eine zusätzliche Abscheidungsstation (74 oder 78) zur Abscheidung auf dem Substrat einer zusätzlichen Schicht (80 oder 84) aus einem weiteren Halbleitermaterial, die eine Grenzfläche mit der zuerst genannten Schicht (82) aus Halbleitermaterial hat.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, aufweisend zwei zusätzliche Abscheidungsstationen (74, 78), wobei eine (74) der beiden zusätzlichen Abscheidungsstationen auf dem Substrat (24) eine zusätzliche Schicht (80) aus einem weiteren Halbleitermaterial vor der zuerst genannten Schicht (82) aus Halbleitermaterial abscheidet, so dass eine Grenzfläche dazwischen erhalten wird, und wobei die andere (78) der beiden zusätzlichen Abscheidungsstationen auf dem Substrat (24) eine weitere zusätzliche Schicht (84) aus einem weiteren Halbleitermaterial nach der zuerst genannten Schicht (82) aus Halbleitermaterial abscheidet, so dass eine weitere Grenzfläche dazwischen erhalten wird, die von der anderen Grenzfläche beabstandet ist.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abscheidungsstation (76) eine Ausgangsmaterialhalterung (198) umfasst, die innerhalb des Ofens (156) über dem Rollförderer (184) angeordnet ist, um ein Ausgangsmaterial aufzunehmen, das sublimiert, um den Heißdampf bereitzustellen, der als die Schicht (82) aus Halbleitermaterial abgeschieden wird.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 4, wobei die Ausgangsmaterialhalterung (198) der Abscheidungsstation (76) eine Haltewanne (202) umfasst, die nach oben hin geöffnet ist.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 5, wobei die Abscheidungsstation (76) weiterhin einen Deflektor (204) umfasst, der über der Ausgangsmaterialhalterung (198) angeordnet ist und eine nach unten geöffnete Form hat.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 4, wobei die Ausgangsmaterialhalterung (198) längliche Haltewannen (202), die nach oben hin geöffnet sind und die sich parallel zu den Förderrollen (186) voneinander beabstandet erstrecken, und Deflektoren (204), die über den Haltewannen (202) angeordnet sind und eine nach unten geöffnete Form haben, umfasst.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, wobei die Abscheidungsstation (76a) eine Heißdampfversorgung (208) umfasst, deren Temperatur gesteuert werden kann, ohne die Temperatur des Substrats in dem Ofen (156) zu beeinträchtigen, und wobei die Heißdampfversorgung (208) eine Versorgungsleitungseinrichtung (210) umfasst, um der Abscheidungsstation (76a) den Heißdampf zur Abscheidung auf der nach oben gerichteten Oberfläche des vorgeschobenen Substrats (24) als die Schicht aus Halbleitermaterial zuzuführen.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 8, wobei die Heißdampfversorgung (208) einen Erhitzer (212) zum Zuführen des Heißdampfes und eine Quelle (214) für Trägergas zum Transportieren des Heißdampfes von dem Erhitzer (212) durch die Versorgungsleitungseinrichtung (210) zur Abscheidungsstation (76a) umfasst.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 8, wobei die Heißdampfversorgung (208) ein Paar Erhitzer (212') zum Zuführen separater Heißdampfkomponenten des Heißdampfes umfasst, und wobei die Heißdampfversorgung (208) darüber hinaus eine Quelle für Trägergas (214) zum Transportieren des Heißdampfes von dem Paar Erhitzer (212') durch die Versorgungsleitungseinrichtung (212) zur Abscheidungsstation (76b) umfasst.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmechanismus (196) eine kontinuierliche Antriebsschleife (218) umfasst, die die Enden (188) der Förderrollen antreibt, die von dem Ofen (156) innerhalb der Umschließung (126), die die kontrollierte Umgebung enthält, nach außen vorstehen.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 1, wobei die beiden Enden (188) einer jeden Förderrolle (186) von dem Ofen (156) an dessen gegenüberliegenden Seiten nach außen vorstehen, und wobei der Antriebsmechanismus (196) ein Paar kontinuierlicher Antriebsschleifen (218) umfasst, die jeweils die Enden (188) der Förderrollen an gegenüberliegenden Seiten des Ofens (156) innerhalb der Umschließung (126), welche die kontrollierte Umgebung enthält, halten und durch Reibung antreiben.
Anlage (70) zur Verwendung bei der Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Kühlstation (86), die stromabwärts der Abscheidungsstation (76) angeordnet ist, um das Substrat (24) mit der darauf abgeschiedenen Schicht (82) aus Halbleitermaterial rasch abzukühlen und hierdurch die Glasplatte des Substrats (24) zu verfestigen.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) unter Verwendung der Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, aufweisend die folgenden Schritte: – Schaffen der begrenzten Umgebung (160), die während des Verfahrens auf einen gleich bleibenden Zustand erhitzt wird, und – Einleiten von Cadmium- und Telluriddampf in die begrenzte Umgebung (160), gekennzeichnet durch das Vorschieben der erhitzten Substratplatte (24) umfassend eine ebene Glasplatte innerhalb der begrenzten Umgebung (160) auf sich horizontal erstreckenden Rollen (186) eines Rollenförderers zum kontinuierlichen Abscheiden bei hoher Temperatur der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid auf einer Oberfläche des Substrats (24), um als ein Halbleiter zum Absorbieren von Solarenergie zu fungieren, wobei das Substrat (24) auf den Rollen (186) innerhalb der begrenzten Umgebung derart ausgerichtet ist, dass die eine Oberfläche (28) des Substrats (24) in Richtung nach oben gerichtet ist, um darauf das Cadmiumtellurid abzuscheiden, und die andere Oberfläche (30) des Substrats (24) in Richtung nach unten gerichtet ist und innerhalb deren Randbereich zum horizontalen Vorschieben gehalten wird, während die ebene Ausrichtung der Glasplatte beibehalten wird, wobei die begrenzte Umgebung (160) auf eine Temperatur von über 650°C erhitzt wird und die ebene Glasplatte auf eine Temperatur im Bereich von 550°C bis 640°C erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei die sich horizontal erstreckenden Rollen (186) eines Rollenförderers (184) während des Abscheidens der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) durch Reibung angetrieben werden.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei ein weiteres Halbleitermaterial als eine weitere Schicht (80) auf der einen, in Richtung nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) vor der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid, die darüber abgeschieden wird, abgeschieden wird und eine Grenzfläche mit der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid hat.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 16, wobei die Schicht (80) aus Halbleitermaterial, die auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) vor der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid abgeschieden wird, aus Cadmiumsulfid besteht.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei ein weiteres Halbleitermaterial als eine weitere Schicht (84) auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) nach der Schicht (28) aus Cadmiumtellurid abgeschieden wird und eine Grenzfläche mit der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid hat.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei ein weiteres Halbleitermaterial als eine weitere Schicht (80) auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) abgeschieden wird, und zwar vor der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid, die darüber abgeschieden wird, und eine Grenzfläche mit der Schicht aus Cadmiumtellurid hat, und wobei ein weiteres Halbleitermaterial als eine weitere Schicht (24) auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) nach der Schicht (28) aus Cadmiumtellurid abgeschieden wird und eine weitere Grenzfläche mit der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid hat.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei jede Schicht (80, 84) aus Halbleitermaterial zusätzlich zur Schicht (82) aus Cadmiumtellurid durch das Einleiten von Dampf in die begrenzte Umgebung (160) abgeschieden wird, die auf eine Temperatur von über in etwa 650°C erhitzt wird, zum Abscheiden auf der einen, nach oben gerichteten Oberfläche (28) des Substrats (24) während es beim Vorschieben auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 550°C bis 640°C erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei nach dem Abscheiden der Schicht (82) aus Cadmiumtellurid das Substrat (24) rasch mit einer solchen Geschwindigkeit abgekühlt wird, dass eine Kompressionsspannung entsteht, durch welche die Glasplatte verfestigt wird.
Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung (22) nach Anspruch 21, wobei die Abscheidung der Schicht aus Cadmiumtellurid erfolgt, wenn das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von ca. 570°C bis 600°C erhitzt ist, und anschließend das Substrat (24) auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 640°C erhitzt wird, von wo aus eine rasche Abkühlung erfolgt, um die Kompressionsspannungen zu erzeugen, die die Glasplatte verfestigen.