DE102004023856A1 - Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit zwischen Front- und Rückkontakt verlaufenden photoaktiven Halbleiterschichten mit integraler Schutzdiode (Bypass-Diode) einer der Solarzelle entgegengerichteten Polarität mit frontseitig verlaufender p-leitender Halbleiterschicht, wobei die Schutzdiode mit dem Frontkontakt verbunden ist. Um eine hohe Stabilität der Schutzdiode zu gewährleisten, insbesondere eine Migration von Metallatomen zu unterbinden, wird vorgeschlagen, dass auf der p-leitenden Halbleiterschicht (36) der Schutzdiode (32) eine Tunneldiode (38) verläuft, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Frontkontakt (14) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit zwischen Front- und Rückkontakt verlaufenden photoaktiven Halbleiterschichten sowie integraler mit der Solarzelle entgegengerichteter Polarität aufweisender Schutzdiode (Bypass-Diode) mit solarzellenfrontseitig verlaufender p-leitender Halbleiterschicht, wobei die Schutzdiode mit dem Frontkontakt verbunden ist.
  • In großflächigen Dioden von mehreren Quadratzentimeterflächen, wie diese Solarzellen aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem p/n-Übergang bilden, sind Mikrokurzschlüsse, d. h. lokale, kleindimensionierte elektrische (ohmsche) Verbindungen über den p/n-Übergang des Halbleitermaterials oft unvermeidbar. Diese entstehen zum Beispiel durch Oberflächenverletzungen während der Substratherstellung oder durch Dotierstoffanhäufungen zum Beispiel an Kristallstörungen wie Versetzungen, insbesondere bei der Ausbildung von epitaxierten p/n-Übergängen bei zum Beispiel Solarzellen Elemente der Gruppe III-IV des Periodensystems.
  • Normalerweise stören die so entstehenden Mikrokurzschlüsse die Funktion der Diode als Solarzelle in Flussrichtung kaum oder nur in geringem Umfang. Die Fehlstellungen kön nen jedoch bei Betrieb der Zelle in Sperrrichtung zu einer Zerstörung der Zelle führen. Sind zum Beispiel mehrere Solarzellen oder -generatoren seriell in einem so genannten String auf einem Solararray miteinander verbunden, so wird bei sperrendem p/n-Übergang eines Generators – dies kann durch Abschattung bewirkt werden – der Solarstrom von der hohen String-Spannung der restlichen beleuchteten Solarzellen oder -generatoren durch die ohmschen Mikro-Kurzschlüsse gepresst. Dies kann zu einer starken lokalen Erhitzung, Umdotierung zur Niederohmigkeit. d. h. lokaler starker Entartung des Halbleiters und letztendlich zur Zerstörung der Zelle selbst führen.
  • Zur Vermeidung entsprechender lokaler starker Erhitzungen, so genannten Hot-Spots, ist es bei seriell geschalteten Solarzellen bekannt, parallel zu den Solarzellen liegende Schutzdioden anzuordnen, deren Flussrichtung entgegen der Solarzellen verlaufen.
  • Aus der EP-A-1 056 137 ist eine Solarzelle der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Schutzdiodenhalbleiterschicht bereichsweise von einer Schicht der Solarzelle selbst ausgebildet wird, wobei die photoaktiven Schichten beabstandet zu dem Bereich der Solarzelle verlaufen, der die Schutzdiodenhalbleiterschicht bildet. Als Schutzdiode kann als eine Schottky-Diode, eine MIS-Kontakt-Diode, eine Diode mit p/n-Übergang oder als metalllegierte Diode ausgebildet sein.
  • Weitere Solarzellen mit integrierter Schutzdiode sind der US-A-2002/0179141, der US-B-6 600 100 oder der US-B-6 359 210 zu entnehmen. Bei den entsprechenden Solarzellen handelt es sich um so genannte Kaskadensolarzellen, bei denen mehrere Solarzellen übereinander angeordnet und über Tunneldioden voneinander getrennt sind. Die Solarzelle ist vom n/p-Typ. Infolgedessen ist die Schutzdiode vom p/n-Typ. Somit ist die frontkontaktseitige Halbleiterschicht ein Löcherleiter mit der Folge, dass eine Migration der Metallatome des Frontkontaktes erfolgt, wodurch die Diode instabil wird. Eine erhöhte Migration tritt insbesondere dann auf, wenn der Frontkontakt Silber enthält.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Solarzelle der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine hohe Stabilität der Schutzdiode gewährleistet ist, also insbesondere eine Migration von Metallatomen unterbunden bzw. weitgehend unterbunden wird.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass auf die p-leitende Halbleiterschicht der Schutzdiode eine Tunneldiode verläuft, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Frontkontakt verbunden ist. Mittelbar bedeutet dabei, dass gegebenenfalls über der Tunneldiode eine n+-Kontaktschicht verläuft, auf der der Frontkontakt angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Schutzdiode derart weitergebildet, dass unterhalb des Frontkontaktes eine n-Schicht verläuft, also eine Elektronen leitende Schicht mit der Folge, dass Migrationen unterbunden werden, ohne dass die Funktionstüchtigkeit der Schutzdiode beeinträchtigt wird.
  • Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die Solarzelle eine Kaskadensolarzelle wie Triple-Zelle mit übereinander angeordneter ersten, zweiten und dritten Teilsolarzelle des Typs n/p ist, dass zwischen den jeweiligen Teilsolarzellen eine Tunneldiode verläuft, dass die Solarzelle in einen photoaktiven ersten Bereich und einen die Schutzdiode frontseitig aufweisenden zweiten Bereich unterteilt ist, dessen halbleitende Schichten beabstandet zu dem von einem gemeinsamen Substrat ausgehenden photoaktiven ersten Bereich verlaufen.
  • Dabei sind insbesondere die Teilsolarzellen derart ausgelegt, dass diese Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren. So kann die erste oder Bodenzelle eine Germaniumsolarzelle sein, über die eine Mittelzelle des Typs Ga1-xInxAs mit 0,01 ≤ x ≤ 0,03 verläuft. Frontseitig ist bevorzugterweise eine Ga1-yInyP-Zelle vorgesehen, wobei 0,48 ≤ y ≤ 0,50 ist.
  • Die entsprechenden Solarzellen sind geeignet, Strahlung der Wellenlänge 900 – 1800 nm (Bodenzelle), 660 – 900 nm (Mittelzelle) bzw. 300 – 660 nm (Front- bzw. Topzelle) zu absorbieren.
  • Unabhängig hiervon ist insbesondere vorgesehen. dass die Schutzdiode aus einer solarzellenseitig verlaufenden n-Schicht und einer frontseitig verlaufenden p-leitenden Schicht besteht, die jeweils aus Ga1-xInxAs mit 0,01 ≤ x ≤ 0,03 bestehen.
  • Des Weiteren ist vorgesehen, dass p++-leitende Schicht der Tunneldiode aus Al1-yGayAs mit 0,06 ≤ y ≤ 0,08 besteht und/oder die n++-leitende Schicht der Tunneldiode aus Ga1- xInxAs mit 0,01 ≤ x ≤ 0,03 besteht.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer Triple-Zelle mit Schutzdiode und
  • 2 einen Aufbau einer Triple-Zelle in ihrem photoaktiven Bereich.
  • 1 ist rein prinzipiell eine Kaskaden oder Multijunction-Solarzelle 10 dargestellt, die einen Rückkontakt 12 sowie einen Frontkontakt 14 umfasst. Zwischen dem Rückkontakt 12 und dem Frontkontakt 14 sind auf einem Germaniumsubstrat 14, das ein p-leitendes G einkristallines Germanium sein kann, insgesamt drei Zellen 16, 18, 20 angeordnet, die voneinander durch Tunneldioden 22, 24 getrennt sind.
  • Die Boden- oder Bottom-Zelle 16 ist auf einem Germaniumsubstrat 26 angeordnet. Auf das Germaniumsubstrat 26, das p-leitend ist, wird der Emitter der n-leitenden Germanium-Bodenzelle 16 durch Diffusion von Arsen oder Phosphor hergestellt. Dabei kann das p-leitende Substrat bereits photoaktive Schicht der Boden- oder Bottom-Zelle 16 sein. Sodann wird die erste Tunneldiode 22 epitaktisch aufgetragen, auf die wiederum die Mittelzelle 18 aufgebracht wird. Dabei muss eine Gitteranpassung in Bezug auf das Germanium erfolgen. Die Mittelzelle 18 besteht daher vorzugsweise aus Galliumarsenid (GaAs), das jedoch eine geringfügig unterschiedliche Gitterkonstante zu Germanium hat. Daher gibt man vorzugsweise 1 – 3 % Indium zu, damit die Gitterkonstanten aufeinander abgestimmt sind.
  • Auf die Mittelzelle 18 wird sodann die Tunneldiode 20 epitaktisch aufgetragen.
  • Die Front- oder Topzelle 20 besteht aus Gallium-Phosphor. Um ebenfalls eine Gitteranpassung vorzunehmen, wird Indium hinzugegeben. wobei eine Zusammensetzung von insbesondere Ga0,51In0,49P gewählt wird.
  • Entsprechende Solarzellen 10 werden üblicherweise zu einem String in Serie geschaltet.
  • Vorhandene Mikrokurzschlüsse in den aktiven Halbleiterschichten können bei Betrieb der Zelle 10 in Sperrrichtung zu deren Zerstörung führen. Zum Schutz gegen entsprechende Zerstörungen wird eine Schutzdiode parallel zu der Solarzelle 10 geschaltet. Hierzu kann entsprechend der Lehre der EP-A-1 056 137 ein kleiner Bereich der photoaktiven Schichten, also der Bodenzelle 16, der Mittelzelle 18 sowie der Topzelle 20 sowie zwischen diesen verlaufenden Tunneldioden 22, 24 bis zum Substrat 26 zum Beispiel durch lokales vertikales Ätzen entfernt. Auf den zu dem photoaktiven Bereich 28 beabstandet auf dem Substrat 12 verlaufenden Bereich 30 der Solarzelle 10 wird sodann eine Schutzdiode 32 des Typs p/n epitaktisch aufgetragen, wobei die n-Schicht 34 topzellenseitig und die p-Schicht 36 frontseitig verläuft.
  • Erfindungsgemäß wird sodann auf die p-Schicht 36 der Schutzdiode 32, die bevorzugterweise dem Material der Mittelzelle 18, also Gallium-Indium-Arsenid entspricht, eine Tunneldiode 38 aufgetragen, wobei bevorzugterweise die schutzdiodenseitige p++-Schicht 42 aus AlGaAs und die frontseitige n++-Schicht 44 aus GaInAs oder GaAs oder InGaP besteht. Die entsprechend aufgebaute Tunneldiode 38 hat ein sehr gutes Tunnelverhalten bis zu sehr hohen Stromdichten, die in der Bypassdiode 32 vorliegen (bis zu 550 mA bei ca. 8 mm2).
  • Auf die n++-Frontseitenschicht 44 der Tunneldiode 38 kann sodann unmittelbar ein Frontkontakt 40 aufgebracht werden. Bevorzugterweise ist jedoch eine zusätzliche n+-Kontaktschicht 46 vorgesehen, wie dies auch bei dem photoaktiven Bereich 28 der Solarzelle 10 vorgesehen ist.
  • Üblicherweise und abweichend von dem zuvor beschriebenen Verfahren werden zur Ausbildung der Solarzelle 10 zunächst sämtliche Schichten ausgebildet bzw. epitaktisch aufgetragen, also auch die der Schutzdiode 32 und der Tunneldiode 38 sowie der zusätzlichen Kontaktschicht 46, um anschließend durch vertikales Ätzen den photoaktiven Bereich 28 von dem Bereich 30 zu trennen, auf dem die Schutzdiode 32 mit Tunneldiode 38 und Kontaktschicht 46 verlaufen.
  • In der 1 ist des Weiteren ein Stromlaufplan der mit anderen Solarzellen seriell zu verschaltenden Solarzelle 10 dargestellt. In dem Ersatzschaltbild erkennt man die antiparallel zu der Solarzelle 10 geschaltete Schutzdiode 32.
  • 2 ist detaillierter der Aufbau der Triple-Zelle 10 in ihrem aktiven Bereich 28 zu entnehmen, der dem Teilbereich 30 unterhalb der Schutzdiode 32 entspricht.
  • Auf den Rückkontakt 12 ist die Boden- oder Bottomzelle 16 aufgebracht, die sich aus dem p-dotierten aktiven Germaniumsubstrat 26 und auf dieser verlaufenden n-dotierten Bufferschicht 48 sowie Barrierenschicht zusammensetzt. Auf die Buffer- bzw. Barriereschicht 48 ist sodann eine n++-Galium-Indium-Arsenid (GaInAs)-Schicht 50 oder GaAs-Schicht oder InGaP-Schicht und auf diese eine p++-Al0,3Ga0,7As-Schicht 52 aufgetragen, die die Tunneldiode 22 bilden. Auf die Tunneldiode 22 wird sodann die Mittelzelle 18 aufgebracht, die sich aus einer p+-leitenden Barriereschicht 54 aus GaInAs, einer p-leitenden Basisschicht 56 in Form von GaInAs und einer n-leitenden Emitterschicht 58 in Form von GaInAs zusammensetzt. Der Anteil des Indiums ist dabei so gewählt, dass eine Gitteranpassung an die die Tunneldiode 22 bildenden Schichten erfolgt. Der Anteil von Indium beläuft sich vorzugsweise zwischen 1 und 3 %.
  • Die Mittelzelle 18 kann sodann von einer n+-leitenden Barriereschicht 60 abgedeckt sein, die aus AlGaInP/AlInAs bestehen kann.
  • Auf der Mittelzelle 18 erstreckt sich die Tunneldiode 24 bestehend aus der n++-leitenden unteren Schicht 62 aus GaInAs und der p++-leitenden oberen Schicht 64 aus AlGaAs. Diese kann sodann von einer Barriereschicht 66 abgedeckt sein, die p+-leitend ist und aus AlGaInP besteht.
  • Auf der Tunneldiode 24 ist die Front- oder Topzelle 20 epitaktisch aufgetragen, die aus einer p+-leitenden Barriereschicht 68 aus GaInP, einer Basisschicht 70, die p-leitend ist und aus GaInP besteht, und einer n-leitenden Emitterschicht 72 aus GaInP zusammensetzt. Die Emitterschicht 72 ist von einer Fensterschicht 74 abgedeckt, die n+-leitend ist und aus AlInP besteht. Da die Fensterschicht 74 sich schlecht mit dem Frontkontakt 14 kontaktieren lässt, erstreckt sich abschnittsweise auf der Fensterschicht 74 eine n-leitende Capschicht 76, die aus n-GaAs besteht.
  • Bezüglich des Schutzdiodenmaterials wird bevorzugterweise dasselbe Material gewählt wie das der Mittelzelle 18, nämlich GaAs mit etwas In. Grundsätzlich könnte auch das Material der Front- oder Topzelle 30, also GaInP benutzt werden. In diesem Fall wäre jedoch die Turn-On-Spannung der Schutzdiode 32 größer. Dies sollte jedoch wegen der auftretenden Verlustleistung vermieden werden.
  • Das Material der auf der Schutzdiode 32 verlaufenden Tunneldiode 38 sollte das der Tunneldiode 22 sein, d.h. die p++-leitende Schicht 42 sollte aus Al0,3Ga0,7As und die n++- leitende Schicht 44 aus GaInAs bestehen.
  • Der die n+-Schicht abdeckende Frontkontakt 40 ist sodann elektrisch leitend einerseits mit dem Frontkontakt 14 des photoaktiven Bereichs 28 elektrisch leitend sowie mit Rückkontakt einer in Serie geschalteten weiteren Solarzelle verbunden.

Claims (10)

  1. Solarzelle mit zwischen Front- und Rückkontakt verlaufenden photoaktiven Halbleiterschichten mit integraler Schutzdiode (Bypass-Diode) einer der Solarzelle entgegengerichteten Polarität mit frontseitig verlaufender p-leitender Halbleiterschicht, wobei die Schutzdiode mit dem Frontkontakt verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, dass auf der p-leitenden Halbleiterschicht (36) der Schutzdiode (32) eine Tunneldiode (38) verläuft, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Frontkontakt (14) verbunden ist.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Tunneldiode (38) und dem Frontkontakt (14) eine n+-leitende Schicht (46) verläuft.
  3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode (32) aus einer solarzellenseitig verlaufenden n-Schicht (34) und einer frontseitig verlaufenden p-leitenden Schicht (36) besteht, die jeweils aus Ga1-xInxAs mit 0,01 ≤ x ≤ 0,03 bestehen.
  4. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass p++-leitende Schicht (42) der Tunneldiode (38) aus Al1-yGayAs mit 0,06 ≤ y ≤ 0,08 besteht.
  5. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n++-leitende Schicht (44) der Tunneldiode (38) aus Ga1-xInxAs mit 0,01 ≤ x ≤ 0,03 oder GaAS oder InGaP besteht.
  6. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (10) eine Kaskadensolarzelle insbesondere in Form einer Triple-Zelle mit übereinander angeordneter erster, zweiter und dritter Teilsolarzelle (16, 28) des Typs n/p ist.
  7. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass photoaktiven Schichten der ersten Teilzelle oder Bodenzelle (16) aus Germanium bestehen.
  8. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass photoaktive Schichten der zweiten Teilzelle oder Mittelzelle (18) aus Ga1-xInxAs mit 0,01 ≥ x ≥ 0,03 bestehen.
  9. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass photoaktive Schichten der dritten Teilzelle oder Topzelle (20) aus Ga1-zInzP mit 0,48 ≥ z ≥ 0,52 bestehen.
  10. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (10) aus einem photoaktiven ersten Bereich (28) und einem die Schutzdiode (36) frontseitig aufweisenden zweiten Bereich (30) besteht, wobei der erste Bereich (28) und der zweite Bereich zueinander beabstandet von einem gemeinsamen Substrat (26) ausgehen.
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