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In dieser Erfindung wird eine neuartige Anordnung der Kontaktbahnen zur Stromsammlung an der der Sonne zugewandten Seite von Solarzellen aus polyknstallinem Silizium vorgeschlagen. Unter Solarzelle ist hier zu verstehen ein scheibenförmiges Halbleiterelement aus polykristallinem Halbleitermaterial für die photovoltaische Umwandlung elektromagnetischer Strahlung, weiches beldseits mit elektnschen Kontakten versehen ist, wobei der elektrische Kontakt auf der für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung bestimmten Seite der Scheibe linienförmig verläuft.
Der Grossteil heutiger Solarzellen wird aus Silizium hergestellt/l/Die scheibenförmigen Zellen mit
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23% erreicht/2/. Die entsprechenden Werte für Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegen bei 16% - 18%. Polykristallines Material Ist aber erheblich billiger in der Herstellung, weshalb eine Erhöhung des Wirkungsgrades wünschenswert ist. Der Grund für seinen niedrigen Wirkungsgrad liegt hauptsächlich in den Korngrenzen zwischen den einzelnen Knstalliten. Hier kommt es zu erhöhter Rekombination der photovoltaisch erzeugten Ladungsträgerpaare, sowie zu ohmschen Verlusten, wenn die Ladungsträger bel ihrem Fliessen hin zu den Kontaktbahnen die Korngrenzen durchqueren.
Es besteht daher die Aufgabe, diese Verlustmechanismen möglichst zu eliminieren, bzw. auf andere Art den Wirkungsgrad polykristalliner Solarzelle aus Silizium zu erhöhen.
Zur Unterdrückung der Verluste an den Korngrenzen wurden bis jetzt verschiedene Wege beschritten
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Siliziumkühlen, sodass möglichst grosse Knstallite, mit kleinstem Durchmesser von einigen Millimetern aufwärts. entstehen/3/. Andrerseits gibt es Methoden, die Korngrenzen elektronisch passiv zu machen. In Patent- schnft/4/wird eine solche Methode für eine polyknstalline Siliziumscheibe, die erzeugt wurde, indem sie auf ein Substrat aus einem siliziumhältigen Gas abgeschieden wurde, und die dadurch Kristallite in der Grössenordnung von nur einigen Mikrometern enthält, beschrieben.
Dabei wird in einem Verfahrensschritt die erhitzte Siliziumscheibe einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, sodass Sauerstoffatome bevorzugt entlang der Korngrenzen eindiffundieren und so zwischen den Kristallite isolierendes Si02 gebildet wird.
Die Mehrzahl heutiger polykristalliner Siliziumsolarzellen wird jedoch aus Scheiben erzeugt, die durch Zersägen gegossener Siiiz ! umb ! öcke gewonnen werden. Für diese ist aus ökonomischen Gründen die gängigste Form der Passivierung der Korngrenzen mittels Wasserstoffdiffusion/5/. Dadurch werden Rekombinationszentren, die entlang der Korngrenzen besonders gehäuft auftreten, abgesättigt. Eine andere Methode Ist in den Patentschriften/6/./7/und/8/beschrieben. Dort wird die p-n-Übergangsschicht, die normalerweise parallel zu der der Sonne zugewandten Oberfläche der Scheibe verläuft, durch spezielle Diffusionsverfahren ein Stück entlang der Korngrenzen ins Innere der Siliziumscheibe fortgesetzt.
Dadurch entsteht das intrinsische elektrische Feld über einer grösseren Fläche als durch die linearen Abmessungen der Scheibe definiert, wodurch Ladungsgträgerpaare, die in der Nähe der Korngrenzen erzeugt wurden und ansonsten eher rekombinieren würden, noch getrennt werden, und so ein höherer Strom erreicht werden kann. Die Rekombination wird zum Teil unterbunden, weil die zwei Ladungsträgerarten in der Nähe der Korngrenzen besser getrennt werden. Eine Verbesserung wird In einer Methode gemäss Patentschnft/9/ versucht, bei der durch ausgewählte Ätzverfahren, ausgehend von der der Sonne zugewandten Seite der Scheibe, die Korngrenzen etwa ein Viertel bis ein Drittel der Scheibendicke weit bis ins Innere der Scheibe weggeätzt werden. Erst dann wird der p-n-Übergang erzeugt. Eine ähnliche Methode ist in der Offenegungsschnft/10/angegeben.
In der Methode gemäss Patentschrift/11/ werden ebenfalls auf ähnliche Weise zunächst Rinnen entlang der Korngrenzen geätzt, aber deren tiefste Stellen mittels einer SiOz-Schtcht Isolierend gemacht und ein p-n-Übergang erzeugt. Die Kristallite sind so Im Bereich der p-n-Schicht voneinander elektrisch getrennt, und jeder für sich stellt eine kleine einkristalline Solarzelle dar. Die Frontkontakte zur Stromsammlung werden daher in Form eines genügend engen Netzes angelegt, sodass jeder Knstallit überstrichen wird, oder es wird zusätzlich eine lichtdurchlässige elektnsch leitende Schicht über der gesamten der Sonne zugewandten Seite aufgebracht.
Die Erfindung stellt einen neuen Zugang zur Lösung der gestellten Aufgabe dar, wobei auf die Methoden in/9/und/10/aufgebaut werden kann, aber nicht muss. Es wird vorgeschlagen, dass weitgehendst nur über den Stellen, wo Korngrenzen, die einzelne Kristallite voneinander trennen, die für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung bestimmte Seite des scheibenförmigen Halbleiters durchstossen, die Kontaktierung zum Sammeln des Stromes auf dieser Seite angebracht ist.
Weiters wird vorgeschlagen, dass die KOl'1hktlerung zum Sammeln des Stromes auf der für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung be'mten Seite auf deren Oberfläche oder in Einkerbungen In der Oberfläche angebracht 1St. Durch diese For der Kontaktierung ergibt sich ein Netz zusammenhängender, elektrisch leitender Bahnen. Es muss nicht unbedingt über jeder Korngrenzhnie eine Kontaktbahn verlaufen, etwa wenn sehr viele kleine Knstallite
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vorhanden sind. Die Abschätzung, ab welcher Mindestgrösse Kristallite berücksichtigt werden, ergibt sich aus der gewählten Breite der Kontaktbahn und dem erreichbaren Nutzen, wird jedoch bei rund 2 mm liegen.
Bei besonders grossen Kristallen, etwa ab einer kleinsten Distanz zwischen gegenüberliegenden Korngrenzlinien von 4 mm, können zur Verbesserung der Stromsammlung auch Kontaktbahnen aufgebracht sein, die nicht über Korngrenzlinien liegen. Neben den Kontaktbahnen über den Korngrenzlinien wird günstigerweise zumindest eine genügend grosse Kontaktstelle bestehen, die als Lötfläche zum Abführen des Stromes dienen kann. Durch die vorgeschlagene Art der Kontaktierung werden folgende Vorteile erzielt :
1 Die Rekombination im Bereich der Korngrenzen wird reduziert, weil dort auf photovoltaischem Weg keine Ladungsträgerpaare entstehen, und sich daher insgesamt weniger Ladungsträger dort bewegen.
2. Die Korngrenzen werden abgeschattet, und die Kristallitflächen dazwischen werden voll dem Sonnen- licht ausgesetzt. Da die Korngrenzen Bereiche schlechten und die Knstallitflächen solche guten Wir- kungsgrades sind, werden Bereiche guten Wirkungsgrades freigemacht, sodass insgesamt eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich wird.
3. Die eine Art der erzeugten Ladungsträger muss bei ihrer Bewegung zu den Kontaktbahnen - dies ist im wesentlichen ein diffusives Fliessen In einer dünnen Schicht unmittelbar unter der der Sonne zugewand- ten Oberfläche der Scheibe - nicht mehr Korngrenzen durchqueren, wodurch die höheren ohmschen
Verluste sowie Rekombination im Bereich der Korngrenzen wegfallen. Auch dies sollte den Wirkungsgrad positiv beeinflussen.
Es folgt die Erläuterung an Hand der Figuren der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt die der Sonne zuzuwendende Oberfläche einer polykristallinen Siliziumscheibe für die Herstellung einer Solarzelle, die geeignet ist die Erfindung darauf anzuwenden (Originalgrösse 100 mm x 100 mm ; Dicke 250 um). Die Korngrenzlinien (1) sind als abrupte Änderung der Helligkeit erkennbar.
Fig. 2 zeigt, anhand einer kleineren Scheibe analog der in Fig. 1, wie gemäss der Erfindung die Kontaktbahnen (2) über den Korngrenzlinien anzubringen sind, sowie einen breiteren Stromsammelstreifen (3) zum Anbnngen einer Lötverbindung.
Fig. 3 zeigt dieselbe Scheibe wie Fig. 2, aber mit Kontaktbahnen (4) die den Verlauf der Korngrenzlinien vollkommen unberücksichtigt lassen, und daher nicht im Sinne der Erfindung angebracht sind.
Fig. 4 zeigt anhand eines Schnittes die Lage-im Sinne der Erfindung - der Kontaktbahnen (2), die Schicht des p-n-Überganges (5), und den typischen Verlauf der Korngrenzen (6) im Inneren der Siliziumscheibe, sowie die um die Korngrenzen befindlichen Bereiche hoher Rekombination (7).
Flg. 5 zeigt anhand eines Schnittes die mögliche Lage der Kontaktbahnen (2), wenn vorher mittels spezieller Ätzverfahren Einkerbungen (8) entlang der Korngrenzlinien geschaffen wurden.
Die in Fig. 1 abgebildete Oberfläche einer Siliziumscheibe zeigt typisch Schnittflächen zwischen den Kristallite und der Oberfläche von einigen mm2 bis einige cm2, wie sie in den üblichen Gussverfahren und anschliessendem Zersägen entstehen. Gemäss der Erfindung werden die Kontaktbahnen (2) genau über den Korngrenzlinien (1) angebracht, sodass sie deren Verlauf folgen. Es entsteht ein Netzwerk der Kontaktbahnen (2), wie in Fig. 2 ersichtlich. Jene Ladungsträgerart, die aufgrund der Art des p-n-Übergangs durch das intrinsische Feld an die der Sonne zugewandte Oberfläche diffundiert, fliesst parallel zur Oberfläche zu den Kontaktbahnen und in diese.
Wichtig ist, dass die Kontaktbahnen breiter anzulegen sind als die Zone hoher Rekombinations-wahrscheinlichkeit um die Korngrenzen (7), sodass nur ein geringer Teil dieser Ladungsträgerart in diese Zone gelangt, weil sie vorher die Kontaktbahnen erreicht. Für das Wesen der Erfindung ist es unerheblich, ob Einkerbungen (8) entlang Korngrenzlinien erzeugt wurden, und falls dies zutrifft, ob die Kontaktbahnen (2) völlig oder nur teilweise in diese Einkerbungen eingebettet sind, wie beispielhaft in Fig. 5 angedeutet. In Fig. 3 ist exemplarisch gezeigt, wie die Kontaktbahnen gemäss der Erfindung nicht angeordnet werden sollen. Die Kontaktbahnen decken dort nämlich zum überwiegenden Teil nicht die Korngrenzlinien ab, sondern Bereiche im Inneren der Kristallite, die aber hohen Wirkungsgrad hätten.
Zusätzlich müssen dort die an der der Sonne zugewandten Seite der Oberfläche zu den Kontaktbahnen fliessenden Ladungsträger durch - möglicherweise mehrere - Korngrenzen diffundieren, an denen Rekombination und höhere ohmsche Verluste auftreten. Bei insgesamt gleicher Bedeckung der Oberfläche mit Kontaktbahnen- üblicherweise zwischen 5% und 10% der Oberfläche - ist daher mit einer Auslegung der Kontaktbahnen gemäss Fig. 2 ein höherer Wirkungsgrad als bei einer Auslegung gemäss Fig. 3, zu erwarten. Dies wurde In Labortests an Zellen der Grösse 31 x 31 mm2 im wesentlichen bestätigt, und am 12.
April 1994 veröffentlicht ,'12/. Der Erfindung kommt entgegen, dass bei der Erzeugung von polykristallinem Silizium für Solarzellen versucht wird, die Korngrenzen senkrecht zur Oberfläche zu erhalten/3/, sodass auch im Inneren der Solarzelle die Korngrenzbereiche mit einer relativ dünnen Kontaktbahn über den Korngrenzlinien (heute sind Breiten bis hinab zu 80 um üblich) abgeschattet werden können.
Eine Herstellungsmöglichkeit der Kontaktbahnen über den Korngrenzlinien gemäss der Erfindung wird nun angegeben :
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Die hier vorgeschlagene Art der Auslegung der Kontaktbahnen auf der der Sonne zugewandten Oberfläche der Solarzelle kann In bestehende Produktionsmethoden für Solarzelle aus polyknstallinem Silizium übernommen werden, da alle Schritte gleich bleiben, mit Ausnahme der Aufbnngung der Kontaktbahnen.
Kontaktbahnen an Solarzelle aus Silizium werden üblicherweise mittels Siebdruckverfahren aufgebracht. Dies ist bel der hier vorgeschlagenen Auslegung der Kontaktbahnen zwar auch möglich, jedoch Bedarf es dazu einer von Zelle zu Zelle unterschiedlichen Maske, da die Korngrenzlinien jeweils unterschiedlich verlaufen. Dies erscheint sehr aufwendig. Eine andere Methode besteht in der Aufnahme der nackten Oberfläche der Zelle mittels einer elektronischen Kamera, eventuell mit polansiertem Licht aus verschiedenen Beleuchtungswinkeln, um die Korngrenzlinien optisch gut sichtbar zu machen.
Anschliessend kann das Bild mittels eines Mustererkennungsprogrammes analysiert werden, und daraus resultierend eine spezielle Zeichenfeder maschinell gesteuert werden, mit der die verdünnte Paste auf die Zelle aufgebracht wird. (Aufbringverfahren von Kontaktbahnen mittels Zeichenfeder wurden bereits industriell getestet/13/.
Für die Studie/12/wurden die Kontaktbahnen per Hand gezeichnet. ) Eine weitere mögliche Methode besteht In einer korngrenzenspezifischen Ätzung der Oberfläche der nackten Zelle, wie in/9/-/11/erwähnt, sodass entlang der Korngrenzlinien Einkerbungen entstehen, in die dann mittels eines Tiefdruckverfahrens die Kontaktpaste aufgebracht werden kann. Schliesslich ist auch vorstellbar, die Kontaktbahnen mittels eines photographischen Kopierverfahrens direkt über den Korngrenzlimen aufzubringen.
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In this invention, a novel arrangement of the contact tracks for current collection on the sun-facing side of solar cells made of polyknstallin silicon is proposed. Solar cell is to be understood here as a disk-shaped semiconductor element made of polycrystalline semiconductor material for the photovoltaic conversion of electromagnetic radiation, which is provided on the field side with electrical contacts, the electrical contact on the side of the disk intended for receiving the electromagnetic radiation being linear.
Most of today's solar cells are made of silicon / l / The disc-shaped cells with
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23% reached / 2 /. The corresponding values for solar cells made of polycrystalline silicon are between 16% and 18%. Polycrystalline material is considerably cheaper to manufacture, which is why an increase in efficiency is desirable. The reason for its low efficiency lies mainly in the grain boundaries between the individual knstallites. Here there is an increased recombination of the photovoltaically generated charge carrier pairs, as well as ohmic losses when the charge carriers cross the grain boundaries as they flow towards the contact tracks.
It is therefore the task of eliminating these loss mechanisms as far as possible, or of increasing the efficiency of polycrystalline solar cells made of silicon in another way.
So far, various approaches have been taken to suppress the losses at the grain boundaries
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Silicon cooling, so that the largest possible Knstallite, with the smallest diameter of a few millimeters upwards. arise / 3 /. On the other hand, there are methods of making the grain boundaries electronically passive. Patent method / 4 / describes such a method for a polyknstalline silicon wafer which was produced by being deposited on a substrate from a silicon-containing gas and which therefore contains crystallites of the order of magnitude of only a few micrometers.
In one process step, the heated silicon wafer is exposed to an oxygen atmosphere, so that oxygen atoms preferably diffuse in along the grain boundaries and SiO 2 insulating between the crystallites is thus formed.
However, the majority of today's polycrystalline silicon solar cells are produced from wafers, which Siiiz cast by sawing! mod! can be won. For economic reasons, this is the most common form of passivation of the grain boundaries using hydrogen diffusion / 5 /. As a result, recombination centers, which occur particularly frequently along the grain boundaries, are saturated. Another method is described in the patents / 6 /./ 7 / and / 8 /. There, the p-n transition layer, which normally runs parallel to the surface of the wafer facing the sun, is continued a bit along the grain boundaries into the interior of the silicon wafer by means of special diffusion processes.
This creates the intrinsic electric field over a larger area than defined by the linear dimensions of the disk, whereby charge carrier pairs, which were generated in the vicinity of the grain boundaries and would otherwise recombine, are separated and a higher current can be achieved. Recombination is partially prevented because the two types of charge are better separated near the grain boundaries. An improvement is being attempted in a method according to Patent Schnft / 9 /, in which the grain boundaries are etched approximately a quarter to a third of the thickness of the pane far into the inside of the pane by means of selected etching processes, starting from the side of the pane facing the sun. Only then is the p-n transition generated. A similar method is given in the disclosure section / 10 /.
In the method according to patent specification / 11 /, channels are also initially etched along the grain boundaries in a similar manner, but their deepest points are made insulating by means of a SiO 2 layer and a p-n junction is produced. The crystallites are electrically separated from each other in the area of the pn layer, and each represents a small single-crystalline solar cell. The front contacts for current collection are therefore created in the form of a sufficiently tight network so that each knstallite is covered, or an additional one is covered translucent electroconductive layer applied over the entire side facing the sun.
The invention represents a new approach to solving the problem, it being possible to build on the methods in / 9 / and / 10 /, but need not. It is proposed that the contacting for collecting the current on this side is made only largely over the points where grain boundaries separating the individual crystallites penetrate the side of the disk-shaped semiconductor intended for the reception of the electromagnetic radiation.
It is further proposed that the cooling to collect the current on the side designated for the reception of the electromagnetic radiation on its surface or in notches. This type of contacting results in a network of connected, electrically conductive tracks. A contact path does not necessarily have to run over every grain boundary, for example when there are many small knstallites
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available. The estimate of the minimum size of crystallites to be taken into account results from the chosen width of the contact path and the achievable benefits, but will be around 2 mm.
In the case of particularly large crystals, for example from a minimum distance between opposite grain boundary lines of 4 mm, contact tracks which do not lie above grain boundary lines can also be applied to improve the current collection. In addition to the contact tracks above the grain boundary lines, there will advantageously be at least one sufficiently large contact point which can serve as a soldering surface for dissipating the current. The proposed type of contacting has the following advantages:
1 The recombination in the area of the grain boundaries is reduced because there are no pairs of charge carriers generated by photovoltaic means and therefore fewer charge carriers move there overall.
2. The grain boundaries are shaded and the crystallite surfaces in between are fully exposed to sunlight. Since the grain boundaries are poor areas and the Knstallit surfaces are such good efficiencies, areas of good efficiencies are cleared, so that an overall increase in efficiency is possible.
3. The one type of charge carrier produced does not have to cross grain boundaries any more when moving to the contact tracks - this is essentially a diffusive flow in a thin layer directly under the surface of the disk facing the sun, as a result of which the higher ohmic
Losses and recombination in the area of the grain boundaries are eliminated. This should also have a positive impact on efficiency.
The explanation follows with the aid of the figures in the drawing.
1 shows the surface of a polycrystalline silicon wafer facing the sun for the production of a solar cell which is suitable for applying the invention to it (original size 100 mm × 100 mm; thickness 250 μm). The grain boundary lines (1) can be seen as an abrupt change in brightness.
Fig. 2 shows, using a smaller disk analogous to that in Fig. 1, how the contact tracks (2) are to be attached according to the invention above the grain boundary lines, and a wider current collecting strip (3) for attaching a soldered connection.
Fig. 3 shows the same disc as Fig. 2, but with contact tracks (4) which completely disregard the course of the grain boundary lines and are therefore not appropriate for the purposes of the invention.
4 shows, using a section, the position — in the sense of the invention — of the contact tracks (2), the layer of the pn junction (5), and the typical course of the grain boundaries (6) in the interior of the silicon wafer, and that around the grain boundaries areas of high recombination (7).
Flg. 5 shows, using a section, the possible position of the contact tracks (2) if notches (8) have previously been created along the grain boundary lines by means of special etching processes.
The surface of a silicon wafer depicted in FIG. 1 typically shows cut areas between the crystallites and the surface of a few mm 2 to a few cm 2, as they occur in the customary casting processes and subsequent sawing. According to the invention, the contact tracks (2) are applied exactly above the grain boundary lines (1) so that they follow their course. A network of contact tracks (2) is created, as can be seen in FIG. 2. The type of charge carrier that diffuses through the intrinsic field to the surface facing the sun due to the nature of the p-n transition flows parallel to and into the contact tracks.
It is important that the contact tracks are wider than the zone with a high probability of recombination around the grain boundaries (7), so that only a small part of this type of charge carrier gets into this zone because it reaches the contact tracks beforehand. For the essence of the invention, it is irrelevant whether indentations (8) have been produced along grain boundary lines, and if so, whether the contact tracks (2) are completely or only partially embedded in these indentations, as indicated by way of example in FIG. 5. 3 shows an example of how the contact tracks according to the invention should not be arranged. The contact paths there mostly do not cover the grain boundary lines, but areas in the interior of the crystallites, which would have a high degree of efficiency.
In addition, the charge carriers flowing on the side of the surface facing the sun must diffuse through - possibly several - grain boundaries at which recombination and higher ohmic losses occur. With the same total coverage of the surface with contact tracks - usually between 5% and 10% of the surface - a higher efficiency is therefore to be expected with a design of the contact tracks according to FIG. 2 than with a design according to FIG. 3. This was essentially confirmed in laboratory tests on 31 x 31 mm2 cells, and on the 12th
Published April 1994, '12 /. The invention accommodates the fact that in the production of polycrystalline silicon for solar cells an attempt is made to maintain the grain boundaries perpendicular to the surface / 3 /, so that the grain boundary regions inside the solar cell also have a relatively thin contact path over the grain boundary lines (today there are widths down to 80 µm usual) can be shaded.
A possibility of producing the contact tracks above the grain boundary lines according to the invention is now specified:
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The proposed way of designing the contact tracks on the sun-facing surface of the solar cell can be adopted in existing production methods for solar cells made of polyknstallin silicon, since all steps remain the same, with the exception of the suspension of the contact tracks.
Contact tracks on solar cells made of silicon are usually applied by means of screen printing processes. Although this is also possible in the design of the contact paths proposed here, a mask that differs from cell to cell is required for this, since the grain boundary lines run differently in each case. This seems very expensive. Another method is to record the bare surface of the cell using an electronic camera, possibly with polarized light from different angles of illumination, in order to make the grain boundary lines visually visible.
The image can then be analyzed using a pattern recognition program, and the resultant machine can be controlled by a special drawing pen with which the diluted paste is applied to the cell. (Application methods for contact tracks using a drawing pen have already been tested industrially / 13 /.
For the study / 12 /, the contact paths were drawn by hand. ) Another possible method consists in etching the surface of the bare cell specifically for the grain boundary, as mentioned in / 9 / - / 11 /, so that notches are formed along the grain boundary lines, into which the contact paste can then be applied by means of a gravure printing process. Finally, it is also conceivable to apply the contact tracks directly above the grain boundary limits using a photographic copying process.