DE102011102790A1 - Solar cell with antireflection coating and method for producing such - Google Patents

Solar cell with antireflection coating and method for producing such Download PDF

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Marc Sämann
Philipp Donn
Gerda Gläser
Claus Feldmann
Gerhard Bilger
Jürgen H. Werner
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Universitaet Stuttgart
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Universitaet Stuttgart
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Abstract

Es wird eine Solarzelle mit einer lumineszierenden Antireflexbeschichtung (24, 26) angegeben, die vorzugsweise aus einer ersten mit Mangan dotierten Schicht (24) aus Zinksulfid und aus einer zweiten Schicht (26) aus Magnesiumfluorid besteht. Durch die Lumineszenz wird die bei herkömmlichen Solarzellen zum großen Teil ungenutzte Strahlung im UV-Bereich in ein längerwelliges Licht umgesetzt, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.A solar cell with a luminescent anti-reflective coating (24, 26) is specified, which preferably consists of a first layer (24) of zinc sulfide doped with manganese and a second layer (26) of magnesium fluoride. As a result of the luminescence, the radiation in the UV range, which is largely unused in conventional solar cells, is converted into longer-wave light, which increases the efficiency.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung.The invention relates to a solar cell with an antireflection coating.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.The invention further relates to a method for producing such a solar cell.

Effiziente Solarzellen benötigen gemäß dem Stand der Technik eine Antireflexbeschichtung, die es der Solarzelle ermöglicht, das einfallende Licht möglichst weitgehend zu absorbieren.Efficient solar cells require according to the prior art, an anti-reflection coating that allows the solar cell to absorb the incident light as much as possible.

Aus Zhao et al. ”Optimized Antireflection Coatings for High-Efficiency Silicon Solar Cells”, IEEE Trans. El. Devices 38, 1925 (1991) ist eine zweilagige Antireflexbeschichtung für eine Solarzelle bekannt, bestehend aus einem zweilagigen Schichtverband aus Zinksulfid (ZnS) und Magnesiumfluorid (MgF2).Out Zhao et al. "Optimized Antireflection Coatings for High-Efficiency Silicon Solar Cells", IEEE Trans. El. Devices 38, 1925 (1991) a two-layer antireflection coating for a solar cell is known, consisting of a two-layer composite of zinc sulfide (ZnS) and magnesium fluoride (MgF 2 ).

Durch einen derartigen zweilagigen Aufbau einer Antireflexbeschichtung lässt sich zwar eine gewisse Wirkungsgradsteigerung erzielen, jedoch zeigt es sich, dass die Reflexion bei Wellenlängen unterhalb von 400 nm stark ansteigt und somit die Absorption des Sonnenlichts in der Solarzelle in diesem Frequenzbereich zu etwa mehr als der Hälfte aufgrund der hohen Reflexion nicht in die Solarzelle gelangen kann. Auch wenn der Wellenlängenbereich unterhalb von 400 nm nur etwa 4,6% der Gesamtleistung des Sonnenspektrums ausmacht, so geht doch ein Teil der Strahlungsenergie ungenutzt verloren, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle sinkt.Although a certain increase in efficiency can be achieved by such a two-layer structure of an antireflection coating, it appears that the reflection increases sharply at wavelengths below 400 nm and thus more than half the absorption of the sunlight in the solar cell in this frequency range the high reflection can not get into the solar cell. Even if the wavelength range below 400 nm only makes up about 4.6% of the total power of the solar spectrum, some of the radiant energy is lost unused, as a result of which the efficiency of the solar cell drops.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Solarzelle zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere soll dies durch eine verbesserte Antireflexbeschichtung erzielt werden.Against this background, the invention has for its object to provide an improved solar cell having an increased efficiency. In particular, this should be achieved by an improved antireflection coating.

Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle angegeben werden.Furthermore, a suitable method for producing such a solar cell is to be specified.

Diese Aufgabe wird durch eine Solarzelle mit einer lumineszierenden Antireflexbeschichtung gelöst.This object is achieved by a solar cell with a luminescent antireflection coating.

Durch die Lumineszenz der Antireflexbeschichtung kann kurzwelliges Licht, das sonst ungenutzt verlorengehen würde, in langwelligeres Licht umgesetzt werden, das von der Solarzelle absorbiert werden kann. Insbesondere absorbiert die Antireflexbeschichtung Licht im Wellenlängenbereich unterhalb von 400 nm und emittiert im langwelligeren Bereich, insbesondere im Bereich oberhalb von 400 nm. Auf diese Weise kann das im kurzwelligen Bereich zu einem großen Teil durch Reflexion ungenutzte kurzwellige Spektrum des Sonnenlichts zu einem größeren Teil in langwelligeres Licht umgesetzt werden, das von der Solarzelle genutzt werden kann.Due to the luminescence of the antireflection coating, short-wave light, which would otherwise be lost unused, can be converted into longer-wave light, which can be absorbed by the solar cell. In particular, the antireflective coating absorbs light in the wavelength range below 400 nm and emits in the longer wavelength range, in particular in the range above 400 nm. In this way, in the short-wave range to a large extent by reflection unused short-wave spectrum of sunlight to a greater extent in langwelligeres Light can be converted, which can be used by the solar cell.

Die Solarzelle umfasst vorzugsweise zumindest eine Schicht mit Zinksulfid, das durch eine Dotierung lumineszierend ist.The solar cell preferably comprises at least one layer with zinc sulfide, which is luminescent by doping.

Die Dotierung kann hierbei insbesondere zumindest ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und Iod besteht. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Dotierungen, ggf. auch in Verbindung mit anderen Schichten denkbar.The doping may in this case in particular contain at least one element which is selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver, gold, aluminum, indium, lead, europium, phosphorus, chlorine, bromine and iodine. In principle, however, other dopants, possibly also in conjunction with other layers are conceivable.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Antireflexbeschichtung eine erste Schicht aus Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesiumfluorid auf, von denen zumindest die erste Schicht, vorzugsweise beide Schichten, dotiert sind.According to a further embodiment of the invention, the antireflection coating has a first layer of zinc sulfide and at least one second layer of magnesium fluoride, of which at least the first layer, preferably both layers, are doped.

Die erste Schicht aus Zinksulfid weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 50 nm, vorzugsweise von 30 bis 46 nm auf.The first layer of zinc sulfide preferably has a layer thickness in the range from 20 to 50 nm, preferably from 30 to 46 nm.

Die zweite Schicht aus Magnesiumfluorid weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 150, vorzugsweise von 100 bis 130 nm auf.The second layer of magnesium fluoride preferably has a layer thickness in the range from 80 to 150, preferably from 100 to 130 nm.

Mit der Verwendung einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung ist ein weiterer Vorteil der Erfindung verbunden: Durch eine Totalreflexion an der Grenze zwischen der ersten und der zweiten Schicht, insbesondere am Übergang von einer mit Mangan dotierten Zinksulfidschicht und einer Magnesiumfluoridschicht, und andererseits am Übergang zwischen einer Magnesiumfluoridschicht und Luft kann das konvertierte, langwellige Licht aus der mit Mangan dotierten Zinksulfidschicht nur zu einem sehr geringen Anteil die Antireflexbeschichtung wieder verlassen. Lediglich Photonen, die in einem Öffnungswinkel von 22,9° zur lichteinfallenden Seite emittiert werden, können den Schichtverbund verlassen. Alle anderen Photonen werden in die Solarzelle reflektiert. Auf diese Weise gehen höchstens etwa 4% der konvertierten Strahlung verloren, was gleichfalls zur Wirkungsgradsteigerung der Solarzelle beiträgt.Another advantage of the invention is the use of a multilayer antireflection coating: total reflection at the boundary between the first and second layers, in particular at the transition from a manganese-doped zinc sulphide layer and a magnesium fluoride layer, and at the transition between a magnesium fluoride layer and air The converted, long-wave light from the manganese-doped zinc sulfide can only a very small proportion of the Exit the anti-reflective coating again. Only photons that are emitted at an aperture angle of 22.9 ° to the light-incident side, can leave the composite layer. All other photons are reflected in the solar cell. In this way, at most about 4% of the converted radiation is lost, which also contributes to increasing the efficiency of the solar cell.

Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle kann es sich um eine sog. PERC-Solarzelle handeln (”Passivated Emitter and Rear Cell”), wie sie aus Blakers et al. ”22.8% efficient silicon solar cell”, Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) grundsätzlich bekannt ist. Eine solche PERC-Solarzelle wird mit der erfindungsgemäßen Antireflexbeschichtung versehen.The solar cell according to the invention may be a so-called PERC solar cell (Passivated Emitter and Rear Cell), as it is known from US Pat Blakers et al. "22.8% efficient silicon solar cell", Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) is basically known. Such a PERC solar cell is provided with the antireflection coating according to the invention.

Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Antireflexbeschichtung jedoch für alle Arten von Solarzellen, also nicht nur für monokristalline Zellen, sondern auch für polykristalline oder mikrokristalline Solarzellen, sowie für Dünnschicht-Solarzellen, auch aus anderen Basismaterialien als Silizium.In principle, however, the antireflection coating according to the invention is suitable for all types of solar cells, ie not only for monocrystalline cells, but also for polycrystalline or microcrystalline solar cells, as well as for thin-film solar cells, also of base materials other than silicon.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Passivieren einer Solarzelle gelöst, bei dem eine lumineszierende Antireflexbeschichtung auf einer Vorderseite der Solarzelle appliziert wird.The object of the invention is further achieved by a method for passivating a solar cell, in which a luminescent antireflection coating is applied to a front side of the solar cell.

Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollständig gelöst.Also in this way the object of the invention is completely solved.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird eine Antireflexbeschichtung appliziert, die zumindest eine Schicht mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.In a preferred embodiment of the invention, an antireflection coating is applied, which contains at least one layer with a sulfide, in particular zinc sulfide, or zinc oxide, which is luminescent by doping.

Weiter bevorzugt enthält die Dotierung zumindest ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und Iod besteht. Bevorzugt kann die Dotierung auch mehrere dieser Elemente enthalten.More preferably, the doping contains at least one element selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver, gold, aluminum, indium, lead, europium, phosphorus, chlorine, bromine and iodine. The doping may preferably also contain several of these elements.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine erste Schicht aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesiumfluorid als Antireflexbeschichtung appliziert.According to a further embodiment of the invention, at least a first layer of doped zinc sulfide and at least a second layer of magnesium fluoride is applied as an antireflection coating.

Durch einen solchen doppelschichtigen Aufbau der Antireflexbeschichtung wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, da insbesondere durch Totalreflexion an den Grenzschichten die von den lumineszierenden Schichten emittierten Photonen weitgehend an einem Austritt aus der Solarzelle gehindert werden und somit in der Solarzelle absorbiert werden.By such a double-layered structure of the antireflection coating, the efficiency is further increased, since in particular by total reflection at the boundary layers, the photons emitted by the luminescent layers are largely prevented from exiting the solar cell and thus absorbed in the solar cell.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird die Solarzelle nach dem Applizieren der Antireflexbeschichtung getempert.In a preferred embodiment of the invention, the solar cell is tempered after applying the antireflection coating.

Durch diesen Schritt ergeben sich weitere besonders vorteilhafte Eigenschaften.This step results in further particularly advantageous properties.

Eine z. B. bei Raumtemperatur durch Sputtern aufgebrachte Schicht ist nahezu amorph. Durch den Temperschritt bilden sich Nanokristallite, wodurch die photolumineszierenden Eigenschaften verbessert werden. Durch den Temperschritt entsteht eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten sichtbaren Spektralbereich. Außerdem werden die optischen Schichteigenschaften verbessert und die effektive Reflexion der Antireflexbeschichtung reduziert. Somit erhöht sich zusätzlich der Wirkungsgrad der Solarzelle.A z. B. applied by sputtering at room temperature layer is almost amorphous. The annealing step forms nanocrystallites, thereby improving the photoluminescent properties. The annealing step produces broadband photoluminescence over the entire visible spectral range. In addition, the optical layer properties are improved and the effective reflection of the antireflection coating is reduced. This additionally increases the efficiency of the solar cell.

Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Temperung erst nach dem Applizieren der letzten Schicht durchgeführt wird.It has proven to be particularly advantageous if the heat treatment is carried out only after the application of the last layer.

Hierdurch ergibt sich ein weiter verbesserter Wirkungsgrad. Bei geeigneter Verfahrensführung trägt die Dotierung aus der Zinksulfidschicht auch zu einer Dotierung der zweiten aus Magnesiumfluorid bestehenden Schicht bei, die auf diese Weise gleichfalls zur Lumineszenz beiträgt.This results in a further improved efficiency. With suitable process control, the doping from the zinc sulfide layer also contributes to a doping of the second layer consisting of magnesium fluoride, which likewise contributes to the luminescence in this way.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperung bei einer Temperatur von etwa 400°C bis 450°C, insbesondere bei etwa 410°C bis 430°C, vorzugsweise über eine Zeit von 5 bis 30 Minuten, weiter bevorzugt über eine Zeit von etwa 8 bis 12 Minuten.According to a further embodiment of the invention, the annealing is carried out at a temperature of about 400 ° C to 450 ° C, in particular at about 410 ° C to 430 ° C, preferably over a period of 5 to 30 minutes, more preferably over a period of about 8 to 12 minutes.

Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Verfahrenführung eine besonders gute Diffusion erzielt werden kann, und dass die optischen Schichteigenschaften besonders vorteilhaft beeinflusst werden können.It has been found that a particularly good diffusion can be achieved with such a process control, and that the optical layer properties can be influenced particularly advantageously.

Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst die Applizierung einer dotierten Antireflexbeschichtung vorzugsweise zumindest einen Sputtervorgang zur Applikation einer dotierten Schicht. As already mentioned above, the application of a doped antireflection coating preferably comprises at least one sputtering process for the application of a doped layer.

Hierbei wird vorzugsweise zumindest eine erste Schicht aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesiumfluorid durch einen Sputtervorgang oder Verdampfungsvorgang appliziert.In this case, preferably at least one first layer of doped zinc sulfide and at least one second layer of magnesium fluoride are applied by a sputtering or evaporation process.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung der Erfindung verwendbar sind.It is understood that the features of the invention mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation of the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Solarzelle; 1 a cross section through a solar cell according to the invention;

2 die Reflexion an einer herkömmlichen Solarzelle mit doppellagiger Antireflexbeschichtung und die spektrale Leistung des Sonnenspektrums AM1.5G; 2 the reflection on a conventional solar cell with double-layer antireflection coating and the spectral power of the solar spectrum AM1.5G;

3 die Lumineszenz von Antireflexbeschichtungen mit und ohne Mangandotierung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Zeitpunkt des Temperschritts vor und nach Aufbringung der MgF2-Schicht; 3 the luminescence of anti-reflection coatings with and without manganese doping as a function of the wavelength and the time of the tempering step before and after application of the MgF 2 layer;

4 ein SIMS-Tiefenprofil von Antireflexbeschichtungen mit Mangandotierung, wobei die Mangankonzentration über der Schichttiefe gezeigt ist; 4 a SIMS depth profile of manganese-doped antireflection coatings showing the manganese concentration above the layer depth;

5 die Lumineszenz einer erfindungsgemäßen Solarzelle in zwei Varianten im Vergleich zum Stand der Technik, in Abhängigkeit von der Wellenlänge und 5 the luminescence of a solar cell according to the invention in two variants compared to the prior art, depending on the wavelength and

6 die Reflexion einer erfindungsgemäßen Solarzelle in zwei Varianten gemäß 5 im Vergleich zu einer Solarzelle mit einer herkömmlichen Antireflexionsbeschichtung. 6 the reflection of a solar cell according to the invention in two variants according to 5 compared to a solar cell with a conventional antireflection coating.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Solarzelle im Querschnitt dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine PERC-Solarzelle, wie sie grundsätzlich aus Blakers et al., ”22.8% efficient silicon solar cell”, Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) bekannt ist.In 1 a solar cell according to the invention is shown in cross section and in total with the numeral 10 designated. In the present case, it is a PERC solar cell, as it basically out Blakers et al., "22.8% efficient silicon solar cell", Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) is known.

Die Solarzelle 10 ist mit einer erfindungsgemäßen Antireflexbeschichtung versehen, die aus zwei Schichten, einer ersten Schicht 24 und einer zweiten Schicht 26, besteht.The solar cell 10 is provided with an antireflective coating according to the invention, consisting of two layers, a first layer 24 and a second layer 26 , consists.

Die Solarzelle 10 weist einen aus einem Silizium-Wafer hergestellten p-Typ-Bereich mit einem Schichtwiderstand Rsheet von 0.2 Ohm/sq auf. Darüber befindet sich eine Schicht 22 aus einem Maskieroxid. Die Emitterfläche beträgt 2 × 2 cm2. Ein Ofen-Emitter mit einem Rsheet von 100 Ohm/sq. formt das n-Typ Gebiet 20. Der Emitter auf der Vorderseite der Solarzelle 10 ist durch Fingerkontakte 28 durch das geöffnete Maskieroxid oder Passivieroxid 22 kontaktiert. Die Rückseite der Solarzelle 10 weist eine Aluminiumschicht 16 mit Punktkontakten 18 auf, die durch eine Passivieroxidschicht 14 eingebracht sind. Die Schichtdicke der Passivieroxidschicht 14 auf der Rückseite beträgt etwa 110 nm. Die Passivieroxidschicht 22 über der Emitterfläche ist durch Ätzung auf eine Schichtdicke zwischen etwa 17 und 31 nm zurückgeführt.The solar cell 10 has a p-type region made of a silicon wafer with a sheet resistance R sheet of 0.2 ohms / sq. Above it is a layer 22 from a masking oxide. The emitter area is 2 × 2 cm 2 . An oven emitter with a R sheet of 100 ohms / sq. forms the n-type area 20 , The emitter on the front of the solar cell 10 is through finger contacts 28 through the opened masking oxide or passivating oxide 22 contacted. The back of the solar cell 10 has an aluminum layer 16 with point contacts 18 on, passing through a passivation oxide layer 14 are introduced. The layer thickness of the passivation oxide layer 14 on the backside is about 110 nm. The passivating oxide layer 22 over the emitter surface is returned by etching to a layer thickness between about 17 and 31 nm.

Soweit ist der Aufbau der Solarzelle 10 grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun auf die Vorderseite eine Antireflexbeschichtung bestehend aus der ersten Schicht 24 und der zweiten Schicht 26 aufgebracht.So far is the structure of the solar cell 10 basically known from the prior art. According to the invention, an antireflection coating consisting of the first layer is now on the front side 24 and the second layer 26 applied.

Während dem Stand der Technik bei einer solchen PERC-Solarzelle die Antireflexbeschichtung aus einer Zinksulfidschicht gefolgt von einer Magnesiumfluorid besteht, ist erfindungsgemäß die Zinksulfidschicht mit Mangan dotiert. Durch diese Dotierung entsteht eine lumineszierende Antireflexbeschichtung, wie im Folgenden noch weiter ausgeführt wird.In the prior art, in such a PERC solar cell, the antireflection coating consists of a zinc sulfide layer followed by a magnesium fluoride, according to the present invention, the zinc sulfide layer is doped with manganese. This doping gives rise to a luminescent antireflection coating, as will be explained below.

2 zeigt die Reflexion des Sonnenlichts an einer herkömmlichen Solarzelle mit doppellagiger Antireflexbeschichtung und die spektrale Leistung des Sonnenspektrums AM1.5G bei einer herkömmlichen Solarzelle. Es ist ersichtlich, dass die Reflexion der Solarzelle bei Wellenlängen unterhalb von 400 nm stark ansteigt, wodurch die Absorption in der Solarzelle entsprechend verringert wird und somit dieser Teil des Sonnenspektrums im UV-Bereich weitgehend ungenutzt bleibt. 2 shows the reflection of sunlight on a conventional solar cell with double-layer antireflection coating and the spectral power of the solar spectrum AM1.5G in a conventional solar cell. It can be seen that the reflection of the solar cell at wavelengths below 400 nm increases sharply, whereby the absorption in the solar cell is correspondingly reduced and thus this part of the solar spectrum remains largely unused in the UV range.

Durch die erfindungsgemäße lumineszierende Antireflexbeschichtung wird dieser kurzwellige Anteil des Sonnenlichtes in längerwelliges Licht im besser verwertbaren Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 und 1000 nm umgesetzt. Die erste Schicht 22 aus mit Mangan dotiertem Zinksulfid (ZnS:Mn) absorbiert das kurzwellige Licht und emittiert als isotroper Kugelstrahler das konvertierte langwelligere Licht. Erfindungsgemäß lässt sich bei der Solarzelle 10 die Kombination aus der Antireflexbeschichtung, insbesondere einer ZnS/MgF2-Antireflexbeschichtung mit einer Lumineszenz durch Dotierung, insbesondere durch Mangan-, Kupfer-, Zinn-, Silber- oder Golddotierung, besonders vorteilhaft nutzen. As a result of the luminescent antireflection coating according to the invention, this short-wave fraction of the sunlight is converted into longer-wave light in the more usable wavelength range between approximately 400 and 1000 nm. The first shift 22 of manganese-doped zinc sulfide (ZnS: Mn) absorbs the short-wave light and emits as an isotropic spherical radiator the converted long-wave light. According to the invention can be in the solar cell 10 the combination of the anti-reflection coating, in particular a ZnS / MgF 2 -Antireflexbeschichtung with a luminescence by doping, in particular by manganese, copper, tin, silver or gold doping, particularly advantageous use.

Die dotierte erste Schicht 24 aus ZnS:Mn wird vorteilhaft durch Sputtern (Kathodenzerstäubung) eines gesinterten ZnS:Mn-Targets appliziert. Dadurch kann eine ZnS:Mn-Dünnschicht reproduzierbar mit einer präzisen Schichtdicke im Nanometerbereich appliziert werden. Die Applikation einer ZnS:Mn-Schicht durch Kathodenzerstäubung ist eine im Stand der Technik grundsätzlich bekannte Methode und lässt sich einfach in bestehende Prozesse integrieren. Die Mangankonzentration im Tage entspricht etwa 5 Gew.-%. Dies entspricht auch etwa dem Anteil des Mangans in der applizierten ersten Schicht.The doped first layer 24 from ZnS: Mn is advantageously applied by sputtering (sputtering) of a sintered ZnS: Mn target. As a result, a ZnS: Mn thin film can be reproducibly applied with a precise layer thickness in the nanometer range. The application of a ZnS: Mn layer by cathode sputtering is a basically known method in the prior art and can be easily integrated into existing processes. The manganese concentration in the day corresponds to about 5 wt .-%. This also corresponds approximately to the proportion of manganese in the applied first layer.

Auch die zweite Schicht aus Magnesiumfluorid kann vorteilhaft durch Sputtern oder Verdampfen im Hochvakuum aufgetragen werden.The second layer of magnesium fluoride can be advantageously applied by sputtering or evaporation in a high vacuum.

Solarzellen benötigen bei der Herstellung als letzten Prozessschritt grundsätzlich einen Temperschritt zur Passivierung und zur Kontaktbildung zu den Metallkontakten. Ein solcher Temperschritt wird auch für die erfindungsgemäße Antireflexbeschichtung aus der ersten und der zweiten Schicht 24, 26 durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Durchführung des Temperschritts nach der Auftragung der zweiten Schicht besonders vorteilhaft ist. Die bei Raumtemperatur gesputterte erste Schicht ist nahezu amorph. Durch den Temperschritt bilden sich Nanokristallite, durch welche die Photolumineszenz wesentlich verbessert wird. Durch den Temperschritt ergibt sich eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten Spektralbereich, die nicht nur auf die mit Mangan dotierte Zinksulfidschicht 24 zurückzuführen ist. Durch das Tempern werden weiterhin die optischen Schichteigenschaften verbessert und die effektive Reflexion der Antireflexbeschichtung 24, 26 vermindert. Somit wird zusätzlich der Wirkungsgrad der Solarzelle 10 verbessert.Solar cells generally require an annealing step for passivation and for contact formation with the metal contacts during the production as the last process step. Such an annealing step is also for the inventive antireflection coating of the first and the second layer 24 . 26 carried out. It has been found that carrying out the tempering step after the application of the second layer is particularly advantageous. The room-sputtered first layer is nearly amorphous. The annealing step forms nanocrystallites, which significantly improve photoluminescence. The annealing step results in a broadband photoluminescence over the entire spectral range, which is not limited to the manganese-doped zinc sulfide layer 24 is due. The annealing further improves the optical layer properties and the effective reflection of the antireflection coating 24 . 26 reduced. Thus, in addition, the efficiency of the solar cell 10 improved.

Gleichfalls wird durch die mehrlagige Antireflexbeschichtung 24, 26 durch Totalreflexion an den Grenzschichten ZnS:Mn/MgF2 und MgF2/Luft der Wirkungsgrad der Solarzelle 10 verbessert, da nur Photonen, die in einem Öffnungswinkel von 22,9° zur lichteinfallenden Seite emittiert werden, die Antireflexbeschichtung 24, 26 verlassen können. Alle anderen Photonen werden in die Solarzelle 10 reflektiert und können somit zur Energienutzung beitragen.Likewise, the multi-layer antireflection coating 24 . 26 Total internal reflection at the boundary layers ZnS: Mn / MgF 2 and MgF 2 / air the efficiency of the solar cell 10 improved, since only photons emitted at an opening angle of 22.9 ° to the light incident side, the anti-reflection coating 24 . 26 being able to leave. All other photons are in the solar cell 10 reflected and can thus contribute to the use of energy.

4 zeigt eine der Ursachen für die breitbandige Photolumineszenz. Die dargestellte Sekundärionenmassenspektometriemessung (SIMS) zeigt die Mangankonzentration über die Profiltiefe der Antireflexbeschichtung. Die erste Schicht im Bereich 0 bis 110 nm ist die MgF2-Schicht. Im Bereich von 110 bis 160 nm befindet sich die mangandotierte Zinksulfidschicht. Anschließend folgt das sehr dünne Passivieroxid der Schicht 22 und der Silizium-Wafer (Schicht 12). Es ist ersichtlich, dass durch die Temperung nach der MgF2-Applikation Mangan aus ZnS:Mn in die darüberliegende MgF2-Schicht diffundiert. Die Diffusion von Mangan in die Magnesiumfluoridschicht 26 wird deutlich verbessert, wenn der Temperschritt nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht durchgeführt wird, wie aus 4 ersichtlich ist. 4 shows one of the causes of broadband photoluminescence. The secondary ion mass spectrometric measurement (SIMS) shown shows the manganese concentration over the profile depth of the antireflection coating. The first layer in the range 0 to 110 nm is the MgF 2 layer. In the range of 110 to 160 nm is the manganese-doped zinc sulfide layer. This is followed by the very thin passivating oxide of the layer 22 and the silicon wafer (layer 12 ). It can be seen that the annealing after the MgF 2 application manganese diffused from ZnS: Mn in the overlying MgF 2 layer. The diffusion of manganese into the magnesium fluoride layer 26 is significantly improved when the annealing step is performed after the application of the magnesium fluoride layer, as shown in FIG 4 is apparent.

Aus 3 ist ersichtlich, dass die Photolumineszenz bei einer Anregung mit einem UV-Laser von 325 nm besonders günstig beeinflusst wird, wenn der Temperschritt nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht durchgeführt wird (vgl. ausgezogene Kurve, die eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten nutzbaren Bereich zeigt). Erfolgt eine Temperung vor der Applikation der Magnesiumfluoridschicht, so ergibt sich eine deutlich geringere Lumineszenz (vgl. gestrichelte Kurve). Wird nur eine Magnesiumfluoridschicht auf die Zinksulfidschicht appliziert ohne eine Mangandotierung der Zinksulfidschicht, so ergibt sich zwar auch eine gewisse Photolumineszenz, wenn nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht getempert wird, jedoch ist diese nicht so vorteilhaft wie bei der erfindungsgemäßen Solarzelle.Out 3 It can be seen that the photoluminescence is particularly favorably influenced by excitation with a UV laser of 325 nm when the annealing step is carried out after application of the magnesium fluoride layer (see solid curve showing broadband photoluminescence over the entire usable range). If a tempering takes place before the application of the magnesium fluoride layer, the result is significantly less luminescence (see dashed curve). If only one magnesium fluoride layer is applied to the zinc sulfide layer without manganese doping of the zinc sulfide layer, a certain photoluminescence results even if the magnesium fluoride layer is tempered after the application, but this is not as advantageous as in the case of the solar cell according to the invention.

Tabelle 1 zeigt die Kennzahlen von drei verschiedenen PERC-Solarzellen im Vergleich, unabhängig bestätigt vom Fraunhofer ISE CalLab. Die zugehörigen Photolumineszenz- und Reflexionsmessungen an diesen Solarzellen in Abhängigkeit von der Wellenlänge sind in den 5 und 6 dargestellt.Table 1 shows the key figures of three different PERC solar cells in comparison, independently confirmed by the Fraunhofer ISE CalLab. The associated photoluminescence and reflectance measurements on these solar cells as a function of the wavelength are in the 5 and 6 shown.

Die beiden Solarzellen, bei denen der Temperschritt nach Abscheidung der Applikation der zweiten Schicht 26 aus MgF2 erfolgte (durchgezogene Kurve mit Mangandotierung in den 5 und 6, sowie strichpunktierte Kurve ohne Mangandotierung) weisen im Vergleich zur Solarzelle, bei der der Temperschritt vor der Abscheidung des Magnesiumfluorids erfolgte (gestrichelte Kurve), eine geringere effektive Reflexion Reff (Reflexion gefaltet mit Sonnenspektrum) auf. Die optischen Eigenschaften der Antireflexbeschichtung 24, 26 verändern sich durch den Temperschritt, die Reflexionskurven werden flacher. Die beiden Solarzellen, die nach Aufbringung des Magnesiumfluorids getempert wurden, weisen eine identische Leerlaufspannung VOC auf und nahezu denselben Füllfaktor FF. Trotz sogar schlechterer effektiver Reflexion Reff der Solarzelle mit mangandotierter Antireflexbeschichtung ist die Kurzschlussstromdichte JSC und der daraus resultierende Wirkungsgrad η größer. Die interne Quanteneffizienzmessung bestätigt ebenfalls eine erhöhte Effizienz im UV Bereich. Durch das Lumineszenzverhalten der Antireflexbeschichtung mit Mangandotierung lässt sich ein zusätzlicher Wirkungsgradgewinn erzielen. Reff [%] JSC [mA/cm2] VOC [mV] FF η Mn in ZnS 6,53 37,1 664 78,3 19,3 ja 6,43 36,9 664 78,0 19,1 nein 6,94 36,2 662 77,8 18,6 ja Tab. 1 The two solar cells, in which the annealing step after deposition of the application of the second layer 26 made of MgF 2 (solid curve with manganese doping in the 5 and 6 , as well as dot-dashed curve without Mangandotierung) have compared to the solar cell, in the annealing step before the deposition of magnesium fluoride (dashed curve), there was a lower effective reflection R eff (reflection folded with solar spectrum). The optical properties of the antireflective coating 24 . 26 change as a result of the annealing step, the reflection curves become flatter. The two solar cells, which were annealed after application of the magnesium fluoride, have an identical no-load voltage V OC and almost the same fill factor FF. Despite even poorer effective reflection R eff of the solar cell with manganese-doped antireflection coating, the short-circuit current density J SC and the resulting efficiency η are greater. The internal quantum efficiency measurement also confirms an increased efficiency in the UV range. The luminescence behavior of the anti-reflection coating with manganese doping makes it possible to achieve an additional efficiency gain. R eff [%] J SC [mA / cm 2 ] V OC [mV] FF η Mn in ZnS 6.53 37.1 664 78.3 19.3 Yes 6.43 36.9 664 78.0 19.1 No 6.94 36.2 662 77.8 18.6 Yes Tab. 1

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Claims (18)

Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung (24, 26), dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) lumineszierend ist.Solar cell with an antireflective coating ( 24 . 26 ), characterized in that the anti-reflection coating ( 24 . 26 ) is luminescent. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) kurzwelliges Licht, insbesondere Licht im Wellenlängenbereich unterhalb von 400 Nanometer absorbiert und langwelligeres Licht, insbesondere im Bereich oberhalb von 400 Nanometer, emittiert.Solar cell according to claim 1, characterized in that the anti-reflection coating ( 24 . 26 ) absorbs short-wavelength light, in particular light in the wavelength range below 400 nanometers, and emits longer-wavelength light, in particular in the range above 400 nanometers. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) zumindest eine Schicht (24) mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.Solar cell according to claim 1 or 2, characterized in that the anti-reflection coating ( 24 . 26 ) at least one layer ( 24 ) Contains a sulfide, in particular zinc sulfide, or zinc oxide, which is luminescent by doping. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung zumindest ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und Iod besteht.A solar cell according to claim 3, characterized in that the doping contains at least one element selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver, gold, aluminum, indium, lead, europium, phosphorus, chlorine, bromine and iodine consists. Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) eine erste Schicht (24) aus Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid aufweist, von denen zumindest die erste Schicht (24), vorzugsweise beide Schichten (24, 26), dotiert sind.Solar cell according to claim 3 or 4, characterized in that the anti-reflection coating ( 24 . 26 ) a first layer ( 24 ) of zinc sulfide and at least one second layer ( 26 ) of magnesium fluoride, of which at least the first layer ( 24 ), preferably both layers ( 24 . 26 ), are doped. Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (24) aus Zinksulfid eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 50 Nanometer, vorzugsweise von 30 bis 46 Nanometer aufweist.Solar cell according to claim 5, characterized in that the first layer ( 24 ) of zinc sulfide has a layer thickness in the range of 20 to 50 nanometers, preferably from 30 to 46 nanometers. Solarzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 150, vorzugsweise von 110 bis 130 Nanometer aufweist.Solar cell according to claim 5 or 6, characterized in that the second layer ( 26 ) of magnesium fluoride has a layer thickness in the range of 80 to 150, preferably from 110 to 130 nanometers. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Solarzelle als PERC-Solarzelle ausgebildet ist.Solar cell according to one of the preceding claims, wherein the solar cell is designed as a PERC solar cell. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die erste Schicht mit 0,1–10 Gew.-% dotiert ist, vorzugsweise mit 3–7 Gew.-%, besonders bevorzugt mit etwa 4–6 Gew.-%.Solar cell according to one of the preceding claims, that the first layer is doped with 0.1-10 wt .-%, preferably with 3-7 wt .-%, particularly preferably with about 4-6 wt .-%. Verfahren zum Passivieren einer Solarzelle (10), bei dem eine lumineszierende Antireflexbeschichtung (24, 26) auf einer Vorderseite der Solarzelle appliziert wird.Method for passivating a solar cell ( 10 ), in which a luminescent antireflective coating ( 24 . 26 ) is applied on a front side of the solar cell. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Antireflexbeschichtung appliziert wird, die zumindest eine Schicht (24) mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.Method according to Claim 10, in which an antireflection coating is applied which comprises at least one layer ( 24 ) Contains a sulfide, in particular zinc sulfide, or zinc oxide, which is luminescent by doping. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Dotierung zumindest ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber und Gold besteht.The method of claim 11, wherein the doping includes at least one element selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver and gold. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem zumindest eine erste Schicht (24) aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid als Antireflexbeschichtung appliziert werden.Method according to one of claims 10 to 12, wherein at least a first layer ( 24 ) of doped zinc sulfide and at least one second layer ( 26 ) are applied from magnesium fluoride as an antireflective coating. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Solarzelle (10) nach dem Applizieren der Antireflexbeschichtung getempert wird.Method according to one of Claims 10 to 13, in which the solar cell ( 10 ) is tempered after applying the antireflective coating. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Temperung nach dem Applizieren der letzten Schicht (26) durchgeführt wird.Process according to Claim 14, in which the heat treatment after application of the last layer ( 26 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Temperung bei einer Temperatur von 400°C bis 450°C, insbesondere etwa 410° bis 430°C, vorzugsweise über eine Zeit von 5 bis 15 Minuten, weiter bevorzugt über eine Zeit von etwa 8 bis 12 Minuten, durchgeführt wird.The method of claim 14 or 15, wherein the annealing at a temperature of 400 ° C to 450 ° C, in particular about 410 ° to 430 ° C, preferably over a period of 5 to 15 minutes, more preferably over a period of about 8 to 12 minutes. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die Applizierung einer dotierten Antireflexbeschichtung (24, 26) zumindest einen Sputtervorgang zur Applikation einer dotierten Schicht (24) umfasst.Method according to one of Claims 10 to 16, in which the application of a doped antireflective coating ( 24 . 26 ) at least one sputtering process for applying a doped layer ( 24 ). Verfahren nach Anspruch 17, bei dem zumindest erste Schicht (24) aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid durch einen Sputter- oder Verdampfungsvorgang appliziert werden. Method according to Claim 17, in which at least the first layer ( 24 ) of doped zinc sulfide and at least one second layer ( 26 ) are applied from magnesium fluoride through a sputtering or evaporation process.
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