DE19732217A1 - Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter­ bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovoltaisch aktive Schichtstruktur aufweisen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Struktur. Speziell lassen sich damit z. B. Dünnschichtsolarzellen verkapseln, die sowohl in Substrat-Bauweise als auch in der sogenannten Superstrat- Bauweise gefertigt sein können. Bei der Substrat-Bauweise wird die Absorberschicht, d. h. die für die photoelektrische Konversion verantwortliche Schicht, mit einer leitfähigen, transparenten Schicht (TCO) bedeckt und von vorne durch letz­ tere hindurch beleuchtet. Bei der Superstrat-Bauweise wird die Absorberschicht auf ein zwangsweise transparentes Substrat aufgebracht und von hinten durch das Substrat hin­ durch beleuchtet.

Photovoltaische Halbleiterbauelemente, wie z. B. Dünn­ schichtsolarzellen, werden bekanntermaßen durch eine Verkap­ selungsschichtstruktur gegen schädliche Einflüsse der Atmo­ sphäre auf deren empfindliche, photovoltaisch aktive Schicht­ struktur geschützt. Zu diesem Zweck ist beispielsweise die Bildung einer Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur be­ kannt, bei der auf die Oberfläche des photovoltaischen Halb­ leiterbauelementes zunächst eine polymere Zwischenschicht, z. B. in Form einer Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA) -Folie, aufgebracht und auf diese eine deckende Glasplatte oder eine Folie aufla­ miniert wird. Problematisch ist hierbei, daß wegen der schlechten Diffusionssperrwirkung von Polymerschichten über die Polymerschicht schädliche Bestandteile der Atmosphäre an den Randbereichen in die Solarzelle eindiffundieren und dort möglicherweise zu Schädigungen führen können. Zudem sind we­ gen des Langzeitverhaltens vieler Folien bezüglich chemischer und UV-Stabilität sowie Ausgasen von intrinsischen Bestand­ teilen, wie Härter, Lösungsmittel etc., nur sehr hochwertige Folien verwendbar. Die Glasplatte verdoppelt annähernd das Gewicht des photovoltaischen Bauelements, was im Hinblick auf Transport, z. B. auch für Weltraumanwendungen, und Aufstände­ rung von Nachteil ist. Die Verwendung von Glasplatten sowohl als Grundplatte, d. h. als Substrat, wie auch als Deckplatte macht eine Formgebung von großflächigen photovoltaischen Ele­ menten, z. B. in einer bestimmten architektonischen Gestaltung oder zur Verkleidung von Flugkörpern, Fahrzeugen und Schiffen etc., aufwendig. Die Polymerfolie und die Glasdeckplatte stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar, und der zugehöri­ ge Verkapselungsprozeß ist kostenintensiv, weil er nur unter großem Aufwand als Teil einer Produktionslinie in eine Seri­ enfertigung integriert werden kann. Der zusätzliche Energie­ bedarf für die Herstellung der Glasplattenverkapselung ver­ längert die Energierückgewinnungszeit der photovoltaischen Elemente erheblich.

In der Veröffentlichung S. Guha et al., Advances in Amorphous Silicon Alloy Multijunction Cells and Modules, AIP Conference Proceedings 353, 13th NREL Photovoltaics Program Review, La­ kewood, CO, Mai 1995, ist die Verkapselung von Solarmodulen mit einer Schutzschicht beschrieben, die aus einer durch ein Mikrowellenplasma abgeschiedenen SiO_x-Legierung besteht. Eine solche Schutzschicht ist relativ hart und spröde und besitzt einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, weshalb sie merkliche Kräfte auf die darunterliegenden Schichten ausübt und zu Ablösungen führen kann, z. B. besonders auch bei Kup­ fer-Indium-Diselenid(CIS)-Solarzellen.

In der Veröffentlichung G. Duran et al., Novel Encapsulation Materials and Techniques for Thin-Film PV Modules, AIP Conf. Proc. 353, 13thNREL Photovoltaics Program Review, Lakewood, Co, May 1995, ist eine Mehrfunktions-Verkapselungsschicht­ struktur beschrieben, die aus einer Beschichtung mit Silikon besteht, in das Glasperlen zur Erhöhung der Oberflächenhärte eingebettet sind. Der zugehörige Auftragungsprozeß ist rela­ tiv aufwendig. Zudem ist die Silikonschicht wasserdampfdurch­ lässig, was zu einer entsprechenden Degradation der photovol­ taisch aktiven Schichtstruktur führen kann.

Da die Transmission der TCO-Schicht bei der Substrat-Bauweise bzw. des Substrats bei der Superstrat-Bauweise je nach ver­ wendeten Materialien im UV-Bereich bis in den sichtbaren Spektralbereich des Sonnenlichts eingeschränkt sein kann, wurde bereits die Verwendung fluoreszierender Schichten zur Steigerung der Solzarzelleneffizienz in Form von Kollektoren bzw. Konzentratoren vorgeschlagen, siehe z. B. die Veröffent­ lichung R. Reisfeld, Solar Energy Materials and Solar Cells, 33 (1994). In letzterer wird die Verwendung fluoreszierender Substanzen vorgeschlagen, die in einer transparenten Polymer­ matrix gelöst sind. Diese Matrix ist jedoch relativ dick und selbst im energiereichen Spektralbereich absorbierend. Zudem bilden die gelösten Fluoreszenzfarbstoffe in der Polymerma­ trix Streuzentren, die zu erhöhter diffuser Reflexion führen. Die erreichbare Farbstoffdichte zur Fluoreszenz ist gering, und die Polymermatrix ist unter UV-Bestrahlung einer starken Alterung unterworfen.

Verfahren zur Plasmabeschichtung, speziell auch zur Plasmapo­ lymerisation, sind auch anderweitig bekannt, z. B. zur Her­ stellung einer Oberflächenschutzschicht für Silbergegenstän­ de, wie in der Offenlegungsschrift EP 0 570 944 A1 beschrie­ ben. Das dortige Verfahren beinhaltet die Aufbringung einer Gradientenschicht auf eine Silberoberfläche durch einen Be­ schichtungsvorgang in einer Plasmapolymerisationsanlage unter kontinuierlicher Gaszufuhr und Gasaustausch eines jeweils verwendeten Monomers. Speziell wird eine erste Schichtzone als eine Kopplungsschicht, die kovalente Bindungen enthält, durch Einleiten eines Gases wie Ethylen oder Vinyltrimethyl­ silan, eine zweite Schichtzone in Form einer permeationsver­ hindernden Oberflächenschicht mittels kontinuierlichem Erset­ zen dieses Gases durch ein weiteres Gas, wie Ethylen, und ei­ ne dritte Schichtzone in Form einer Oberflächenversiegelungs­ schicht mittels kontinuierlichem Ersetzen des vorhergehenden Gases durch ein weiteres Gas, wie Hexamethyldisiloxan in Ver­ bindung mit Sauerstoff, aufgebracht, um insgesamt eine auf Silber haftende, chemisch resistente, kratzfeste und transpa­ rente Schutzschichtstruktur zu bilden.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer verbesserten Mehrfunktions-Verkapselungsschicht­ struktur sowie eines Herstellungsverfahrens hierfür zugrunde, mit denen sich photovoltaische Halbleiterbauelemente mit ver­ gleichweise geringem Aufwand und für eine Serienproduktion geeignet so verkapseln lassen, daß ihre photovoltaisch aktive Schichtstruktur hermetisch abgedichtet ist, ohne daß die Ver­ kapselungsschichtstruktur große mechanische Spannungen auf sie ausübt und dennoch bei Bedarf die Schaffung einer kratz­ festen Oberfläche und/oder einer fluoreszierenden Schichtzone erlaubt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie eines Verfahrens zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen des Anspruches 5, 6 oder 7.

Die Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1 beinhaltet eine Gradientenschicht oder eine Folge überein­ anderliegender Einzelschichten, die durch eine Plasmabe­ schichtung aufgebracht ist und eine Diffusionssperrschichtzo­ ne sowie eine elastische Schutzschichtzone aufweist, auf die eine kratzfeste Oberflächenschicht aufbringbar ist. Die Plas­ maabscheidung der Diffusionssperrschicht schützt die darun­ terliegende photovoltaisch aktive Schichtstruktur vor einem Eindiffundieren schädigender Substanzen aus der Atmosphäre, wie Sauerstoff, Wasser- und andere Dämpfe, CO₂, SO₂ etc., so­ wie vor einem Eindringen organischer Lösungsmittel, wie sie in Reinigungsmitteln und Klebern enthalten sind, die bei der Reinigung und Montage der Bauelemente Verwendung finden. Hierzu trägt auch die ebenfalls mittels Plasmabeschichtung abgeschiedene elastische Schutzschichtzone bei, die außerdem wegen ihrer Elastizität keine oder jedenfalls keine störenden mechanischen Spannungen auf die Unterlage ausübt bzw. über­ trägt. Dies beugt der Gefahr von Ablösungserscheinungen in der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur vor. Gleichzeitig ist die elastische Schutzschichtzone so gebildet, daß sich auf ihr eine kratzfeste Oberflächenschicht zuverlässig haf­ tend aufbringen läßt, so daß die elastische Schutzschicht als Anpassungsschicht zwischen der relativ harten Diffusions­ sperrschicht und der ebenfalls relativ harten, kratzfesten Oberflächenschicht fungiert.

Je nach Anwendungsfall besitzt die Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur durch entsprechende Wahl der Schichtmaterialien und Plasmabeschichtungsparameter weitere Funktionen, wie hohe Transparenz oder fluoreszierende Eigen­ schaften, optische Vergütungswirkung durch Anpassung des Bre­ chungsindex bzw. der Dicke der verwendeten Schichtstruktur, einstellbare Oberflächenpolarität je nach Wahl Richtung hy­ drophil oder hydrophob und Erzielung einer gewünschten Farb­ gebung. Die Plasmaabscheidung läßt sich leicht in typische Verfahren zur Serienherstellung von Dünnschichtsolarzellen und ähnlichen photovoltaischen Halbleiterbauelementen inte­ grieren, wobei z. B. die Abscheidung in einem Mikrowellenplas­ ma ohne Schwierigkeiten auf nahezu beliebige Flächen hochska­ lierbar ist. Die großflächige Beschichtung kann sowohl sta­ tisch als auch dynamisch, d. h. mit bewegtem Substrat oder be­ wegter Plasmaquelle, erfolgen.

Die Plasmabeschichtung ist ein sehr spaltgängiges Verfahren. Es umhüllt die photovoltaischen Bauelemente samt allen deren Strukturierungen, Kontakten und Rändern in idealer Weise. Möglich ist zudem eine lokale Verstärkung der Abscheidung durch lokalisierte Plasmaanwendung, z. B. am Rand oder an den Kontaktbereichen. Kapillarwirkung und Einschlüsse, wie sie von Lackierungen bekannt sind, treten nicht auf. Es lassen sich sehr einfach optisch homogene Beschichtungen erzielen. Die Kombinations- und Variationsmöglichkeiten der Verkapse­ lungsschichtstruktur sind im Prinzip mit ein und derselben Beschichtungseinrichtung realisierbar und lassen sich durch Variation der Gaszufuhr und der Plasmaparameter einstellen, wobei die Schichtstruktur als Gradientenschicht mit sich gra­ duell verändernden Schichteigenschaften oder als Folge von übereinanderliegenden Einzelschichten, bei der sich die Schichteigenschaften mehr oder weniger abrupt ändern, aufge­ baut sein kann.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Verkapselungs­ schichtstruktur besteht die elastische Schutzschichtzone aus einer Polymerschichtzone, auf die eine plasmabehandelte Poly­ merfolie aufgebracht ist. Die kratzfeste Oberflächenschicht entfällt in diesem Fall, oder sie wird auf die Polymerfolie aufgebracht. Zur Herstellung einer solchen Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur eignet sich insbesondere das Verfahren nach Anspruch 5.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Verkapselungs­ schichtstruktur ist die kratzfeste Oberflächenschicht Be­ standteil dieser Struktur, indem sie als kratzfeste Oberflä­ chenschichtzone durch einen entsprechenden Plasmabeschich­ tungsvorgang aufgebracht ist. Zur Herstellung einer solchen Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur eignet sich insbe­ sondere das Verfahren gemäß Anspruch 6.

Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Verkapselungs­ schichtstruktur ist wenigstens eine von deren Schichtzonen durch eine fluoreszierende Polymer-Schichtzone gebildet, durch deren Fluoreszenzeigenschaften sich die Quantenausbeute für das photovoltaische Halbleiterbauelement steigern läßt. Zur Herstellung einer derartigen Mehrfunktions-Verkapselungs­ schichtstruktur eignet sich insbesondere das Verfahren nach Anspruch 7.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische, idealisierte Querschnittansicht einer Dünnschichtsolarzelle mit Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung der Mehrfunktions-Verkapselungsschicht­ struktur von Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung einer gegenüber derjenigen von Fig. 1 modifizierten Mehrfunktions-Verkapselungsschicht­ struktur.

Fig. 1 zeigt in einem ausschnittweisen, idealisierten Quer­ schnitt eine Dünnschichtsolarzelle mit erfindungsgemäßer Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur. Das Bauelement beinhaltet ein Glassubstrat 1, auf das eine photovoltaisch aktive Schichtstruktur 2 aufgebracht ist, die herkömmlich in Substrat- oder Superstrat-Bauweise aufgebaut ist und in er­ sterem Fall wenigstens eine Rückkontaktschicht, eine darüber­ liegende Absorberschicht und eine diese bedeckende, transpa­ rente leitfähige Schicht (TCO) beinhaltet. Auf diese photo­ voltaisch aktive Schichtstruktur 2 ist die Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur aufgebracht, die im gezeigten Beispiel eine Diffusionssperrschichtzone 3, eine darüberlie­ gende elastische Schutzschichtzone 4 und eine diese bedecken­ de, kratzfeste Oberflächenschichtzone 5 umfaßt. Die drei Schichtzonen 3, 4, 5 können je nach Depositionstechnik als Teile einer Gradientenschicht mit sich graduell ändernden Schichteigenschaften oder als Einzelschichten realisiert sein. Die gesamte Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur wird mittels Plasmabeschichtung, z. B. im Durchlaufverfahren in einem Mikrowellenplasma, oder mittels konventioneller Ka­ thodenzerstäubung hergestellt, wobei wenigstens die elasti­ sche Schutzschichtzone 4 durch Plasmapolymerisation als ela­ stische Polymerschicht gebildet ist, wozu beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMDS) als Monomergas in das Plasma ein­ gebracht wird. Alternativ können andere, siliziumhaltige or­ ganische und/oder flüchtige aromatische Verbindungen, wie Styrol, Toluol und Benzol, verwendet werden.

So läßt sich die Verkapselungsschichtstruktur von Fig. 1 bei­ spielsweise dadurch realisieren, daß zur Bildung der Diffusi­ onssperrschichtzone 3 zunächst HMDS mit reichlich Sauerstoff in das Plasma eingebracht und dort vollständig oxidiert und als amorphes SiO_x auf dem Substrat 1 mit der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2 abgeschieden wird. Diese SiO_x- Schicht bildet eine sehr gute Diffusionssperre. Unter zuneh­ mender Reduktion des Sauerstoffflusses und niedriger Plas­ maleistung entsteht dann ein Übergang zu immer stärkerem Po­ lymercharakter, wodurch die elastische Schutzschichtzone 4 aufgebracht wird, die wenig mechanische Spannungen auf die darunterliegende Schichtstruktur ausübt und daher die Diffu­ sionssperrschichtzone 3 und vor allem die photovoltaisch ak­ tive Schichtstruktur vor entsprechenden mechanischen Bela­ stungen bewahrt. Diese könnten ansonsten in ungünstigen Fäl­ len zum Ablösen oder zu sonstigen Schädigungen von Schichten innerhalb der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2 und damit zu deren Funktionsausfall führen. Zur Bildung der kratzfesten Oberflächenschichtzone 5 werden dann wiederum ähnliche Abscheidebedingungen wie für die Diffusionssperr­ schichtzone 3 gewählt, so daß die Oberflächenschichtzone 5 wieder vorwiegend anorganischen SiO_x-Charakter besitzt. Al­ ternativ kann ebenfalls in einem Mikrowellenplasma eine dia­ mantähnliche Kohlenstoffschicht als die Oberflächenschichtzo­ ne 5 aufgebracht werden. Eine solche Schicht besitzt eine sehr hohe Härte und Kratzfestigkeit. Der dazu erforderliche Kohlenstoff kann in Form eines einfachen Kohlenwasserstoffs, wie Methan, Ethan oder Benzol, zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Hochvakuumanlage 6, mit der die Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur von Fig. 1 herge­ stellt werden kann und die eingangsseitig eine Magazinschleu­ se 7 für zu verkapselnde Solarmodule aufweist. Die Solarmodu­ le 8 beinhalten z. B. ein photovoltaisches Element mit einer Absorberschicht aus CuInSe₂ (CIS), deren Oberfläche aus elek­ trisch leitfähigem, transparentem ZnO als äußerer Schicht der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur bedeckt ist. In einem anschließenden Fertigungsschritt werden Kontaktbändchen oder Drähte angebracht. In diesem unverkapselten Zustand werden die Solarmodule 8 in die Schleuse 7 eingebracht. Von der Ma­ gazinschleuse 7 werden die Solarmodule 8 in eine erste Vaku­ umkammer 9 eingeführt. In dieser befindet sich eine Anordnung zur Erzeugung eines von Mikrowellen angeregten Plasmas 15. Alternativ ist eine konventionelle Kathodenzerstäubungstech­ nik verwendbar. Bei Bedarf kann zunächst ein Reinigungs­ schritt mittels eines Sauerstoffplasmas vorgesehen sein, mit dem die ZnO-Oberfläche gereinigt und kontrolliert nachoxi­ diert wird, was die Transmission verbessert und eine reakti­ onsbereite Oberfläche erzeugt. Über ein Gaszufuhrsystem 10 wird dann in das Plasma 15 ein Gasgemisch aus einem inerten Trägergas, einem Dampf von Hexamethyldisiloxan (HMDS) oder einer ähnlichen, siliziumhaltigen organischen Verbindung, z. B. Hexamethyldisilazan, sowie einem Reaktionspartner, z. B. Sau­ erstoff, eingedüst. In dieser ersten Plasmabeschichtungskam­ mer 9 wird der Beschichtungsprozeß so geführt, daß sich die dichte und harte, im wesentlichen aus einer Siliziumoxid- Verbindung bestehende, glasartige, polare Diffusionssperr­ schichtzone 3 abscheidet, und zwar in der Regel mit einer amorphen Struktur und in einer Dicke von typischerweise zwi­ schen 0,1 µm und 1 µm. Der HMDS-Monomerfluß beträgt hierfür ty­ pischerweise 30 sccm/min bis 50 sccm/min. Der Sauerstofffluß beträgt zunächst ca. 80 sccm/min und wird langsam reduziert.

Das mit der Diffusionssperrschicht 3 versehene Bauelement 8 wird dann durch einen schlitzförmigen, möglichst engen Durch­ gang 11 in eine zweite Vakuumkammer 12 transportiert, in der sich wiederum ein gleichartiges Plasmabeschichtungssystem 13 wie in der ersten Kammer 9 befindet. In einem zum Prozeß in der ersten Kammer 9 ähnlichen Verfahren wird in dieser zwei­ ten Kammer 12 die elastische, polymerähnliche Schutzschicht 4 abgeschieden. Dies wird dadurch bewirkt, daß als Reaktionsgas wiederum HMDS eingeleitet wird, dem jedoch kontinuierlich we­ niger Sauerstoff beigemengt wird, verbunden mit der Wahl ei­ ner niedrigen Plasmaenergie. Mit abnehmendem Sauerstoffanteil geht die Diffusionssperrschichtzone 3 kontinuierlich in eine dichte Plasmapolymerschicht aus reinem HMDS über, welche die elastische Polymer-Schutzschichtzone 3 bildet. Die Abschei­ dung der elastischen HMDS-Schicht wird für ca. 3 min vorgenom­ men, wodurch diese eine Schichtdicke von ca. 0,7 µm erreicht.

Nach diesem Plasmapolymerisationsprozeß zur Abscheidung der elastischen Polymer-Schutzschicht 4 wird das Bauelement 8 durch einen weiteren Schlitz 13 in eine dritte Plasmabe­ schichtungskammer 14 transportiert, in der wiederum ein gleichartiges Plasmabeschichtungssystem 17 vorgesehen ist wie in den beiden anderen Kammern 9, 12. In der Kammer 14 wird die Verkapselungsschichtstruktur durch Aufbringen der kratz­ festen Oberflächenschicht vervollständigt, wozu HMDS-Monomer mit einem gegenüber dem vorangegangenen Beschichtungsprozeß für die elastische Polymerschicht 4 reduzierten Fluß von ca. 4 sccm/min und Sauerstoff mit einem wieder erhöhten Fluß von ca. 80 sccm/min in das Plasma eingedüst wird. Der hohe Sauer­ stoffüberschuß führt zu einer quarzähnlich harten Oberflä­ chenschichtzone 5, die dicht gegen Lösungsmittel und kratzbe­ ständig ist. Dieser Beschichtungsprozeß erfolgt für ungefähr 5 min. Die Gesamtschichtdicke der fertiggestellten Mehrfunkti­ ons-Verkapselungsschichtstruktur beträgt damit typischerweise zwischen etwa 1 µm und 2 µm. Die solchermaßen aufgebrachte Ver­ kapselungsschichtstruktur zeigt eine sehr hohe Transparenz, eine hohe Kratzfestigkeit sowie Dichtigkeit gegen Säuren und Wasserdampf. Das auf diese Weise fertig verkapselte Solarmo­ dul 8 wird über eine differentiell gepumpte Schlitzschleuse 18 aus der Anlage 6 herausgeführt. Abschließend werden die Module 8 mit einer geeigneten Schneidevorrichtung 19 ge­ trennt.

Alternativ zu der kratzfesten Oberflächenschichtzone 5 gemäß Fig. 1 kann vorgesehen sein, auf die elastische Polymer- Schutzschicht 4 eine Folie aufzulaminieren, die derart durch eine Plasmabehandlung vorbereitet wird, daß sie direkt auf die im Plasma abgeschiedene elastische Schutzschicht 4 ohne weitere Klebstoffschicht und ohne besondere Druck- oder Tem­ peraturanwendung aufgebracht werden kann. Fig. 3 zeigt eine hierfür geeignete Plasmabeschichtungsanlage 6a, die bis auf die dritte Beschichtungskammer derjenigen von Fig. 2 ent­ spricht, wobei der Übersichtlichkeit halber funktionell glei­ che Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Beschichtung der Solarmodule 8 erfolgt somit in der Anla­ ge von Fig. 3 hinsichtlich des Aufbringens der Diffusions­ sperrschicht 3 und der elastischen Polymer-Schutzschicht 4 identisch wie oben zu Fig. 2 beschrieben.

Danach werden die Module 8 über den Schlitz 13 in eine als Laminationskammer 20 gestaltete dritte Vakuumkammer transpor­ tiert. In einer oberhalb dieser Kammer 20 angeordneten, groß­ volumigen weiteren Vakuumkammer 21 befindet sich eine Rolle 22 mit einer transparenten Abdeckfolie 23, die z. B. aus Poly­ carbonat (PC), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem anderen hochwertigen, witterungsstabilen Polymer besteht. Mittels ei­ ner in der großvolumigen Vakuumkammer 21 stattfindenden Be­ handlung durch ein Plasma 24 wird die Oberfläche der Folie 23 einseitig aufgerauht und reaktiv gemacht. Durch einen Schlitz 25 gelangt die plasmabehandelte Folie 23 in die Laminations­ kammer 20, wo sie mittels einer Walze 26 auf die vorbeilau­ fenden Solarmodule 8 auflaminiert wird. Da sowohl die eine Seite der Folie 23 als auch die von der elastischen Polymer- Schutzschicht 4 bereitgestellte Oberfläche der Module 8 sehr reaktionsbereit ist, ergibt sich bereits durch leichtes Auf­ drücken der Folie 23 eine Kontaktverschweißung derselben mit der elastischen Polymer-Schutzschicht 4. Diese wird noch ver­ stärkt, wenn der Verbund nach dem Passieren der differentiell gepumpten Schlitzschleuse 18 an Atmosphäre gelangt. Die Modu­ le werden dann mit der Schneidevorrichtung 19 getrennt. Bei Bedarf kann auf die auflaminierte Folie noch eine kratzfeste Oberflächenschicht aufgebracht werden.

Wie sich aus der obigen Beschreibung der Anlagen gemäß den Fig. 2 und 3 ergibt, lassen sich mit diesen die Solarmodule in einem für die Serienfertigung gut geeigneten Durchlaufver­ fahren mit der Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur versehen, welche die verschiedenartigen Funktionen hinsicht­ lich Schutz der photovoltaisch aktiven Schichtstruktur 2, op­ tischer Vergütung etc. erfüllt. Die Abscheidung in Mikrowel­ lenentladungen ist problemlos auf große Flächen hochskalier­ bar. Die Plasmabeschichtung stellt ein sehr spaltgängiges Verfahren dar, mit dem sich speziell auch photovoltaische Halbleiterbauelemente mit ihren geometrisch komplizierten Oberflächen, z. B. aufgrund von Kontakten, Anschlußdrähten, Kanten und Rändern, zuverlässig und gleichmäßig verkapseln lassen. Die mittels Plasmadeposition aufgebrachte Mehrfunkti­ ons-Verkapselungsschichtstruktur bedeutet gegenüber einer herkömmlichen Glasplattenverkapselung Einsparungen hinsicht­ lich Gewicht, Energieaufwand und Kosten. Die zuverlässige Diffusionssperre mittels der Diffusionssperrschichtzone ge­ währleistet eine hohe Lebensdauer und eine gleichbleibende Qualität der photovoltaischen Bauelemente.

Es versteht sich, daß die genannten Funktionen der Verkapse­ lungsschichtstruktur entweder in Form einer Gradientenschicht oder in Form einer Folge von auf die jeweilige Funktion abge­ stellten Einzelschichten realisierbar ist. Als Plasmabe­ schichtungsanlage kommen neben den gezeigten auch andere An­ lagen in Betracht, wie z. B. eine in der US-Patentschrift Nr. 4.939.424 beschriebene Anlage mit Elektron-Zyklotron­ anordnung. Neben Sauerstoff kann gegebenenfalls auch ein an­ deres reaktives Gas, wie z. B. Wasserstoff, beim Plasmabe­ schichtungsprozeß verwendet werden. Als zur Polymerisation geeignete Monomere sind neben Siloxanen auch fluorhaltige Kohlenwasserstoffe, z. B. CF₃H, und flüchtige Borverbindungen, z. B. B₂H₆, verwendbar. Durch entsprechende Wahl der Monomer­ materialien, der Art und Anwendung der Reaktivgase und der Plasmabedingungen, wie Druck, Leistung, Gaszufuhr und Magnet­ feld des Plasmas, können die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten in weiten Grenzen variiert werden. Neben den be­ reits genannten funktionellen Schichten der Verkapselungs­ schichtstruktur kann letztere weitere Schichten enthalten, z. B. eine Anpassungsschicht an die Oberfläche der photovol­ taisch aktiven Schichtstruktur mit optimierter Haftung, die vor der Diffusionssperrschicht mit hydrophobem Charakter zur Erfüllung der Dampfsperrfunktion aufgebracht wird. Die polare Natur der anschließenden elastischen Schicht vermag unpolare organische Lösungsmittel abzuhalten. Durch weitere Zwischen­ schichten kann bei Bedarf die Anpassung der verschiedenen Funktionsschichten untereinander optimiert werden, z. B. mit­ tels Zwischenschichten, wie sie in der europäischen Patentan­ meldung Nr. 95106495.5 beschrieben sind, worauf verwiesen wird.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann die Mehr­ funktions-Verkapselungsschichtstruktur eine Fluoreszenz­ schicht beinhalten, mit der sich ein sonst ungenutzter Spek­ tralbereich des einfallenden Lichts photovoltaisch nutzen läßt. Eine derartige fluoreszierende Schicht kann beispiels­ weise dadurch mittels Plasmabeschichtung aufgebracht werden, daß als Monomer das Reaktionsgas Styrol mit einem Fluß von 1 sccm/min bis 5 sccm/min in das Plasma eingeleitet wird. Bei einer Abscheidedauer von ca. 5 min scheidet sich die fluores­ zierende Schicht in einer Dicke von ca. 1 µm ab. Danach kann der Styrol-Fluß gestoppt und, wenn die fluoreszierende, ela­ stische Polymerschicht von einer quarzähnlichen, harten Schicht bedeckt werden soll, HMDS-Monomer mit 4 sccm/min zu­ sammen mit einem Sauerstofffluß von 80 sccm/min in das Plasma geleitet werden. Bei einer Beschichtungsdauer von ca. 5 min scheidet sich eine kratzfeste Schicht von ca. 0,2 µm ab. Mit der fluoreszierenden Schichtzone läßt sich der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöhen, indem ansonsten nicht nutzbare Licht­ anteile aufgrund des Fluoreszenzeffektes in nutzbare Lichtan­ teile transferiert werden.

Claims (7)

1. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur für photovol­ taische Halbleiterbauelemente, die eine auf einem Träger­ substrat (1) aufgebrachte, photovoltaisch aktive Schicht­ struktur (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gradientenschicht oder eine Folge übereinanderlie­ gender Einzelschichten beinhaltet, die mittels Plasmabe­ schichtung aufgebracht ist und wenigstens eine Diffusions­ sperrschichtzone (3) und eine elastische Polymer-Schutz­ schichtzone (4) aufweist, auf die eine kratzfeste Oberflä­ chenschicht (5) oder eine Polymerfolie (23) aufbringbar ist.

2. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß auf die elastische Po­ lymer-Schutzschichtzone eine plasmabehandelte Polymerfolie (23) aufgebracht ist.

3. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mittels Plas­ mabeschichtung aufgebrachte Gradientenschicht beinhaltet, welche neben der Diffusionssperrschichtzone (3) und der ela­ stischen Polymer-Schutzschichtzone (4) zusätzlich die kratz­ feste Oberflächenschicht (5) umfaßt.

4. Mehrfunktions-Verkapselungsschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens eine ihrer Schichtzonen durch eine fluoreszierende Po­ lymer-Schichtzone gebildet ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter­ bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovoltaische aktive Schichtstruktur aufweisen, mit folgen­ den Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die pho­ tovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe­ schichtung, insbesondere durch Einbringen eines Gasge­ mischs, das eine siliziumorganische Verbindung und eine ge­ wisse Mindestmenge eines Reaktivgases enthält, in das Plas­ ma,
• - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge­ mischs, das eine siliziumorganische oder flüchtige aromati­ sche Verbindung und eine höchstens geringe Menge eines Re­ aktivgases enthält, in das Plasma und
• - einseitiges Plasmabehandeln einer Polymerfolie (23) und an­ schließendes Auflegen derselben auf die elastische Polymer- Schutzschichtzone und Zusammenlaminieren mit dieser.

6. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions-Verkapse­ lungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiterbauelemen­ te, die eine auf einem Trägersubstrat aufgebrachte, photovol­ taisch aktive Schichtstruktur aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe­ schichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine si­ liziumorganische Verbindung und eine gewisse Mindestmenge Sauerstoff enthält, in das Plasma,
• - Aufbringen einer elastischen Polymer-Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge­ mischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung, je­ doch eine höchstens geringe Menge Sauerstoff enthält, in das Plasma und
• - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschichtzone (5) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasge­ mischs, das die gleiche siliziumorganische Verbindung und eine gewisse Mindestmenge Sauerstoff enthält, in das Plas­ ma.

7. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfunktions- Verkapselungsschichtstruktur für photovoltaische Halbleiter­ bauelemente, die eine auf einem Trägersubstrat (1) aufge­ brachte, photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Aufbringen einer Diffusionssperrschichtzone (3) auf die photovoltaisch aktive Schichtstruktur (2) mittels Plasmabe­ schichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das wenig­ stens Sauerstoff enthält, in das Plasma,
• - Aufbringen einer elastischen, fluoreszierenden Polymer- Schutzschichtzone (4) mittels Plasmabeschichtung durch Ein­ bringen eines Gasgemischs, das Styrol oder ein anderes fluoreszensschichtbildendes Monomer enthält, in das Plasma und
• - Aufbringen einer kratzfesten Oberflächenschicht (5) mittels Plasmabeschichtung durch Einbringen eines Gasgemischs, das eine siliziumorganische Verbindung und eine gewisse Min­ destmenge Sauerstoff enthält, in das Plasma.