DE102004046554A1 - Photovoltaische Silizium-Solarzelle und Solarmodul - Google Patents

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Abstract

Eine photovoltaische Silizium-Wafer-Solarzelle (1) mit einem Absorber (2) und einer metallischen Rückelektrode (5) sowie mit Maßnahmen zur Streuen von in den Absorber (2) einfallenden oder rückgespiegelten Lichts, wobei zumindest die der Rückelektrode zugewandte Fläche des Wafers durch Dotierung (3) und/oder durch eine Passivierungsschicht (8) gegenüber der metallischen Rückelektrode (5) passiviert ist, umfasst ferner mindestens eine Schicht (4) mit Licht streuenden Eigenschaften zwischen Absorber (2) und Rückelektrode (5), insbesondere eine Schicht aus mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundenen, Licht reflektierenden Partikeln, wobei mindestens lokale elektrische Kontakte (5C) zwischen der Rückelektrode (5) und dem Absorber (2) die Licht streuende Schicht (4) durchdringen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf photovoltaische Silizium-Wafer-Solarzellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und auf aus solchen Zellen aufgebaute Solarmodule. Unter Solarmodul wird hier insbesondere eine Anordnung aus mehreren elektrisch parallel und/oder in Reihe geschalteten Solarzellen verstanden. Als Wafer werden dünne Scheiben aus kristallinem Silizium bezeichnet, die als Grundsubstrate zur Herstellung der Solarzellen verwendbar sind.
  • Ein bekanntes Problem bei photovoltaischen Solarzellen ist die mangelnde Nutzung des einfallenden Lichts. Vor allem bei modernen Dünnschicht-Solarzellen (z.B. bei denen die Absorberschicht aus kristallinem oder amorphem Silizium besteht oder solches enthält) können die Dicken der das Licht absorbierenden und in elektrische Spannung umsetzenden Funktionsschichten gleich oder gar kleiner als die Wellenlängen des einfallenden Lichts in Luft werden. Insbesondere sind die Schichtdicken teilweise geringer als die mittleren Eindringtiefen des einfallenden Lichtes in die Absorber- bzw. Funktionsschichten. Unter diesen Randbedingungen wird die im einfallenden Licht enthaltene Energie jedenfalls bei direkter (senkrechter) Aufstrahlung nur noch unzureichend absorbiert. Der Wirkungsgrad bzw. die Lichtnutzung dieser Solarzellen genügt daher ohne weitere Maßnahmen nicht den aktuellen Ansprüchen und Anforderungen an eine effiziente und kostengünstige Elektrizitätserzeugung.
  • Auch herkömmliche, d.h. aus Silizium-Wafern hergestellte Solarzellen, bzw. aus z.B. Si mit mehr als 1 bis 2 Mikrometer dicken Absorbern hergestellte Solarzellen, können mit einer Lichtfallentechnik wie z.B. durch strukturierte Oberflächen und gut reflektierende Rückseiten verbessert werden, um das einfallende Licht so gut wie möglich zur Stromerzeugung zu nutzen.
  • Solarzellen aus Silizium-Wafern sind an sich selbsttragend und werden auf der Lichteinfallseite meist mit (z.B. gedruckten) Gitterelektroden ausgestattet. Auch sie werden jedoch für den Einsatzzweck meist mit großflächigen Substraten verbunden, beispielsweise zwischen zwei Glasscheiben eingebaut.
  • Bei Silizium-Wafer-Solarzellen wird in der Regel bei der Rückelektrode auf eine TCO-Schicht verzichtet. In diesem Fall wird der Kontakt zwischen dem Absorber und der Metallschicht direkt hergestellt. Die Kontaktfläche zwischen dem Halbleiter und dem Metall hat jedoch an sich eine sehr hohe Rekombinationsaktivität, d.h. die durch Lichteinfall für die Stromgeneration im Silizium erzeugten Minoritätsladungsträger der Elektronen-„Loch"-Paare „verschwinden" an der Metall-Halbleitergrenzfläche mit hoher Wahrscheinlichkeit („Oberflächen-Rekombination"). Dieser Effekt tritt umso ausgeprägter auf, je dünner der Si-Wafer bzw. der Absorber ist. Im Ergebnis wird dadurch die Leerlaufspannung (opencircuit-Spannung) der Solarzelle in unerwünschter Weise verringert, und außerdem der lichtgenerierte (Kurzschluss-)Strom.
  • Mit dem Trend zu immer dünneren Absorber- bzw. Waferdicken wird es daher in zunehmendem Maße wichtig, eine gute elektronische Qualität der Rückseite der Solarzelle sicherzustellen, bzw. die rückseitige Oberfläche durch eine geeignete Behandlung zu passivieren, wonach die durch Licht erzeugten Elektronen-„Loch"-Paare nicht mehr übermäßig rasch rekombinieren können. Dies gilt unabhängig davon, ob der Wafer p- oder n-dotiert ist.
  • In Hocheffizienz-Solarzellen wird deshalb der Kontakt zwischen dem Absorber und der Metallschicht auf das für die Stromleitung notwendige Minimum reduziert (zum Beispiel bei den sogenannten Punktkontakt-Solarzellen, PERL Struktur, PERC Struktur, Polka dot Struktur, usw.).
  • Die Effizienz von Solarzellen wird durch Abscheiden einer sogenannten „Passivierungsschicht" (meist eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitrid-Beschichtung) zwischen dem Wafer und der metallischen Elektrodenschicht verbessert, die an den Stellen oder Punkten für die gewollte Kontaktierung mit dem Metall unterbrochen wird. Dies kann durch lokales Maskieren vor dem Abscheiden der Schicht oder auch durch nachträgliches lokales Abtragen (Strukturieren durch Photolithographie oder Laser-Ablation) der zunächst vollflächigen Schicht erreicht werden.
  • Auf das vorerwähnte gesonderte Herstellen von Unterbrechungen der Passivierungsschicht vor dem Abscheiden der Rückelektrode kann (möglicherweise unter Senkung der Herstellkosten) verzichtet werden.
  • Man kann auch nach dem ganzflächigen Abscheiden der Rückelektrode, ggf. auf eine ganzflächige Passivierung/Passivierungsschicht der Wafer-Oberfläche, durch Laserstrahl-Behandlung oder „Beschuss" punktförmige Kontakte zwischen der Rückelektrode und dem Wafer herstellen, welche eine vorhandene Passivierung durchdringen.
  • Eine weitere Möglichkeit zum Weglassen der Schichtstrukturierung besteht, wenn man Metalle, insbesondere Aluminium, als Element der Metallschicht der Rückelektrode verwendet, die bei geeigneter Prozessführung (z.B. thermische Behandlung) nur an einzelnen Stellen nadelförmig die Passivierungsschicht (Siliziumoxid) durchdringen. Nur an diesen Punkten wird der Halbleiter (Silizium) kontaktiert.
  • Über die einfache elektrische Kontaktierung hinaus kann das Metall der Rückelektrode selbst eine Dotierung im Halbleiter erzeugen, je nach Metall eine n-type- oder p-type-Dotierung.
  • Im weiteren wird das Verhalten von p-dotierendem Aluminium diskutiert, analoge Verhältnisse gelten jedoch für n-dotierende Metalle. Stößt das Al beim Durchdringen der Passivierungsschicht auf p-type-Material (und sei es nur an der Oberfläche), so kann lokal eine erhöhte p-type-Dotierung durch das Al bewirkt werden und damit lokal ein „back surface field" (BSF) in der Grenzfläche des Halbleiters mit dem Al-Kontakt erzeugt werden.
  • Stößt das Al beim Durchdringen der Passivierungsschicht auf n-type-Material (und sei es nur an der Oberfläche), kann dort die n-type-Dotierung lokal überkompensiert werden. Hieraus ergeben sich zwei grundsätzliche Möglichkeiten.
  • Einerseits können lokale p-n-Übergänge zu einem n-type-Halbleiter entstehen, oder es entsteht ein lokal begrenzter Kanal p-type-dotierten Materials, der durch eine n-dotierte Oberfläche hindurch eine direkte p-type-Verbindung zwischen dem Al und dem p-dotierten Halbleiter-Körper schafft.
  • Anstelle einer gesonderten Passivierungsschicht kann auch an einem „X"-type dotierten Halbleiter eine Oberflächenpassivierung durch eine „Y"-type dotierte Oberfläche gebildet werden, welche dann von einem „X"-type dotierenden Metall lokal mit den vorstehend beschriebenen Wirkungen durchdrungen werden kann. X und Y stehen hier jeweils entweder für p oder für n.
  • Durch die geschilderte enge lokale Begrenzung direkter Berührung oder Kontaktierung zwischen Metall und Halbleiter wird im Verhältnis zu einer ganzflächigen Berührung die unerwünschte rasche Rekombination sehr stark vermindert.
  • WO 01/86732 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Kontakts bzw. einer Elektrode auf einer Halbleiter-Oberfläche. Zunächst wird eine kristalline Silizium-Oberfläche oxidiert, um dann eine Aluminiumschicht als Rückelektrode auf der (nicht leitenden) Oxidschicht abzuscheiden. Sodann wird eine Schicht amorphen Siliziums auf der Al-Schicht abgeschieden. Durch Erhitzen dieser Struktur auf Temperaturen unterhalb der eutektischen Temperatur von Aluminium und Silizium wird die Oxidschicht lokal an solchen Stellen reduziert, wo ihre Qualität oder Dichte geringer ist.
  • Im Ergebnis wird eine zu starke Rekombination des Si-Halbleiters an der Grenzfläche zur Al-Schicht durch die zwischenliegende (und nur teilweise durchdrungene) Oxidschicht vermieden (folglich die „open-circuit-Spannung" der Solarzelle erhöht), gleichwohl aber ein für die Stromabnahme hinreichender elektrischer Kontakt zwischen dem Wafer und der Rückelektrode durch quasi punktförmige Löcher oder Tunnel durch das Oxid hindurch sichergestellt.
  • Lösungsansätze für die Verbesserung der Lichtnutzung in Solarzellen bestehen einerseits darin, die Lichtreflexion an der äußeren Oberfläche zu vermindern. Hierzu ist es einerseits bekannt, die Oberflächen auf der Lichteinfallseite zu entspiegeln, wobei man Entspiegelungs-Beschichtungen auftragen und/oder die Oberfläche mit Mikrostrukturen versehen kann. Die erwähnten Mikrostrukturen können auch das Licht brechen und es unter flachen Winkeln, oder auch diffus, in die Absorberschichten einleiten. Durch diese Maßnahmen trachtet man, die Länge des Pfades zu vergrößern, den jeder Lichtstrahl innerhalb der Absorberschicht zurücklegt.
  • Mit Oberfläche ist vorstehend sowohl die Oberfläche eines Wafers gemeint, als auch die Oberfläche einer darüber liegenden transparenten Abdeckung.
  • Schließlich muss für einen guten Licht-Nutzungsgrad in einer im Vergleich zur mittleren Lichteindringtiefe dünnen Solarzelle auch das Licht an der Rückseite gespiegelt werden, das den Absorber durchquert hat. Als Spiegel können die metallischen Elektroden genutzt werden, die man üblicherweise auf der vom Lichteinfall abgewandten Flächenseite der Solarzellen anordnet.
  • Der bei konventionellen Solarzellen häufig ganzflächig aufgebrachte und in der Regel bei hoher Temperatur eindiffundierte Aluminiumrückkontakt hat allerdings eine nur schwach reflektierende Wirkung.
  • WO 01/90 787 A1 beschreibt eine Licht streuende dünne Beschichtung, die dazu geeignet ist, von einer Lichtquelle ausgestrahltes Licht homogen zu streuen. Als Anwendungsfälle werden insbesondere die Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen, Flächenlampen etc. genannt. Die Beschichtung besteht im Wesentlichen aus mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundenen Partikeln mit Durchmessern zwischen 0,3 und 2 μm, wobei das Bindemittel einen Volumenanteil von 10 bis 40% an der Beschichtung hat. Die Beschichtung hat eine Kontrastdämpfung von mehr als 40%. Sie kann eine Lichttransmission von mehr als 45 oder gar 60% haben, insbesondere wenn die Partikel selbst aus halbtransparenten (mineralischen) Materialien bestehen. Der Lichtbrechungsindex der Partikel ist vorzugsweise höher als der des Bindemittels.
  • Die Licht streuende Schicht wird vorzugsweise mit einer zwischen 1 und 20 μm liegenden Dicke und einem geeigneten Verfahren auf die Oberfläche eines Substrats aufgetragen, z. B. durch Siebdrucken, Tauchbeschichten, Fließbeschichten, Zerstäubung. Sie ist als solche nicht oder schlecht elektrisch leitfähig (hochohmig). Jedoch streut sie das einfallende Licht so gleichmäßig, dass die Intensität des gestreuten Lichtes für jeden Betrachtungswinkel proportional zur Projektionsfläche ist. Mit dispergierend wirkenden Zusatzstoffen können Agglomerationen von Partikeln in Grenzen gehalten werden, die zu unerwünschten Transmissionsstörungen in der Schicht führen könnten.
  • Das Patent EP 688 818 B1 beschreibt Zubereitungen aus Partikeln und Bindemitteln, die auch für Licht streuende Verwendungen z.B. in Leuchtdioden geeignet sind.
  • WO 2004/005978 A1 beschreibt eine Anwendung von Licht streuenden Schichten der vorgenannten Art in Kombination mit einer gegen elektromagnetische Strahlung dämpfenden oder isolierenden Schicht mit relativ hohem Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrateinheit. Diese Schicht kann wiederum ein TCO enthalten oder aus einem solchen bestehen, wobei auf einem Substrat zunächst die Licht streuende Schicht und dann darüber die elektromagnetisch isolierende Schicht abgeschieden werden kann. Hintergrund dieser Kombination ist die Anwendung der Licht streuenden Schicht bei hinterleuchteten Flüssigkristall-Bildschirmen, wobei die elektromagnetische Isolierung störende Einflüsse der hinter dem Substrat befindlichen Lichtquelle auf die Flüssigkristalle zu unterbinden hat.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei photovoltaischen Si-Wafer-Solarzellen die Lichtnutzung noch weiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung an.
  • Eine bedeutende Verbesserung der Lichtnutzung wird in photovoltaischen Silizium-Wafer-Solarzellen demnach erreicht, wenn man eine Licht streuende und/oder reflektierende Schicht der vorstehend erörterten Art zwischen dem Absorber und der Rückelektrode anordnet. Anders ausgedrückt, wird die Licht streuende Schicht mit der von der Lichteinfallseite abgewandten reflektierenden Rückelektrode kombiniert. Unter „Licht streuender Schicht" ist hier auch eine Schicht zu verstehen, die neben ihrem Streueffekt das Licht auch reflektiert.
  • Im Fall der Verwendung der beschriebenen Licht streuenden Schicht in oder an einem Rückreflektor der Solarzellen wird die Lichtmenge, die nach Durchdringen des Absorbers noch zu der das Licht streuenden Schicht gelangt, entweder direkt von dieser oder von der dahinter liegenden metallischen Schicht reflektiert und dabei jeweils einer diffusen Streuung unterworfen, bevor sie wieder in den Absorber eintritt.
  • Dies wird immer dann von Nutzen sein, wenn das einfallende Licht den Absorber wenigstens teilweise durchdringt, was bei dünneren Wafern in zunehmendem Maße der Fall ist. Vereinfacht ausgedrückt durchdringt das Licht den Absorber dann (teilweise), wenn dessen Materialdicke senkrecht zum Lichteinfall kleiner als die Absorptionslänge des Lichtes bei einer Wellenlänge oberhalb der Bandkante des den Absorber bildenden oder in diesem enthaltenen Halbleiters ist, oder zumindest nur soviel größer als die Absorptionslänge ist, dass dennoch ein nennenswerter Anteil des Lichtes die Absorberschicht durchdringt und die Rückseite der Zelle erreicht.
  • Hierbei ist allerdings sicherzustellen, dass über die (eventuell hochohmige) Licht streuende Schicht ein die Stromleitung sicherstellender elektrischer Kontakt zwischen dem Absorber und der Rückelektrode bestehen bleibt. Dies kann beispielsweise mit den Maßnahmen erreicht werden, die vorstehend zu der Punktkontaktierung durch eine Passivierungsschicht erörtert wurden.
  • Der Grad der Porosität der Licht streuenden Schicht ist mit Hilfe der Prozessparameter beim Aufbringen in weiten Grenzen einstellbar. Man konnte experimentell nachweisen, dass der effektive elektrische Übergangswiderstand von einer Metallschicht zu einem anderen Material über diese dazwischen liegende lichtstreuende Schicht vernachlässigbar gering ist. Folglich kann man schon beim Abscheiden der metallischen Rückelektrode auf die Licht streuende (und mit einer gewissen Porosität hergestellte) Schicht einen hinreichend guten elektrischen Kontakt von dem aufgebrachten Metall durch die Licht streuende Schicht hindurch zum Absorber erzielen.
  • Phosphordiffusion ist einer von mehreren möglichen Verfahrensschritten zum Herstellen von Emittern an der Lichteinfallseite bzw. der Frontelektrode der Wafer-Solarzelle. Beispielsweise wird gemäß der Erfindung auf die Rückseite eines ggf. rundum oder an seiner rückseitigen Oberfläche mit Phosphor n-dotierten Silizium-Wafers die Licht streuende Schicht und auf dieser die Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht angeordnet. Schon beim Aufbringen der Metallschicht (z.B. Aluminiumschicht) durchdringt das Metall an einzelnen Stellen lokal die teilweise poröse lichtstreuende Schicht und stellt so punktartig Kontakt zum Halbleiter her. Bei einer geeigneten Wärmebehandlung diffundiert Aluminium in die Oberfläche des Silizium-Wafers und erzielt dabei die weiter oben beschriebenen Kontaktierungseffekte (einschließlich des Durchdringens einer eventuell zusätzlich zur Licht streuenden Schicht vorhandenen Passivierungsschicht) aus.
  • Somit ergibt sich in der Grenzfläche des Absorbers zur Licht streuenden Schicht eine durch Abscheideparameter einstellbare Punktkontaktierung. Hingegen bleibt großflächig betrachtet die Isolierung/Oberflächenpassivierung zwischen dem Absorber und der Metall-Rückelektrode durch die Licht streuende Schicht erhalten. Gesonderte Maßnahmen (Photolithographie, Laser, Maskierung) können also auch bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Licht streuenden und/oder reflektierenden Schicht entfallen.
  • So kann bei deren Kombination mit Passivierungsschichten (z.B. SiO2) auf gesonderte Prozessschritte für das Unterbrechen der Passivierungsschicht verzichtet werden, da bei der Anwendung einer thermischen Behandlung das Metall stellenweise die Passivierungsschicht durchdringt und über die durch das Aluminium dotierten punktförmigen Bereiche die Siliziumschicht kontaktiert.
  • Neben dem Vorteil der erhöhten Lichtausbeute aufgrund der mehrfachen Streuung/Reflexion der Lichtstrahlen ergibt sich durch Variation der Abscheideparameter der Licht streuenden Schicht die zusätzliche Möglichkeit, deren Porosität und damit die Häufigkeit bzw. die Verteilung der punktuellen Kontakte zwischen Metallschicht und Absorber gezielt einzustellen und somit die elektrische Güte der Rückseite der Solarzelle zu beeinflussen und zu verbessern. Demgegenüber muss nach der schon erwähnten WO 01/86732 A1 die Dichte der Kontaktpunkte z.B. über die Qualität des passivierenden Oxids gesteuert werden. Erfindungsgemäß besteht jedoch über die einstellbare Porosität der lichtstreuenden Schicht zwischen der Metallschicht und dem Silizium-Wafer eine von der Oxidqualität unabhängige Möglichkeit zur Kontrolle der Kontaktfläche (Anzahl der Kontaktpunkte). Die Oxidqualität kann daher allein mit Blick auf die Qualität der Oberflächenpassivierung optimiert werden.
  • Die Erfindung nutzt als weiteren entscheidenden Vorteil die Lichtstreueigenschaften der teil-porösen Schicht zwischen Metall und Silizium-Wafer, wodurch über optische Weglängenverlängerungen und Lichtfalleneffekte die Absorption des einfallenden Lichtes und somit die generierte Strommenge gefördert werden.
  • Denkbar ist auch eine „doppelte" Ausstattung der Solarzelle mit Licht streuenden Schichten beidseits des Absorbers. Dazu wird eine Licht streuende Schicht, wenn sie eine hohe Lichttransmission hat, auch auf der Lichteinfallseite angeordnet. Man kann sie dann über der Frontelektrode oder zwischen der Frontelektrode und dem Absorber anordnen.
  • Die in dieser Weise genutzte Licht streuende Schicht enthält in an sich bekannter Weise Partikel und Bindemittel. Bevorzugt sind die Partikel transparent oder halb-transparent, um die Lichttransmission der Licht streuenden Schicht möglichst hoch zu halten. Sie können insbesondere mineralische Partikel wie Oxide, Nitride oder Karbide sein.
  • Ganz bevorzugt verwendet man für die Herstellung der Partikel Oxide von Metallen (Metalloxide) wie Silizium, Aluminium, Zirkon, Titan, Cer. Ggf. können die Partikel auch aus Mischungen mindestens zweier dieser Oxide bestehen.
  • Solche Partikel können mit allen dem Fachmann bekannten Herstellungsverfahren gewonnen werden. Sie haben vorzugsweise eine Korngrößenverteilung, nach der mindestens 50% der Partikel nicht mehr als 50% von der mittleren Korngröße abweichen, sind also verhältnismäßig homogen.
  • Das Bindemittel muss eine hinreichende Temperaturstabilität aufweisen, um einerseits die Prozesstemperaturen während der Herstellung und andererseits den in Solarzellen bei intensiver Sonneneinstrahlung auftretenden recht hohen Temperaturen schadlos widerstehen zu können. In dieser Hinsicht kann ein mineralisches Bindemittel interessant sein, z.B. des Typs Kalium-, Natrium-, Lithium-Silikat, oder Aluminiumphosphat.
  • Andererseits wird die Licht streuende Schicht im vorliegenden Anwendungsfall nicht äußeren Einflüssen (Witterung, Abrasion) ausgesetzt, so dass ihre mechanische Stabilität kein vorrangiges Kriterium für die Stoffwahl ist.
  • Weitere wesentliche Eigenschaften einer für den hier erörterten Anwendungszweck geeigneten Licht streuenden Schicht können der eingangs erwähnten WO 01/90 787 A1 entnommen werden, deren Offenbarung schon einleitend teilweise wiedergegeben wurde und hinsichtlich der Schichteigenschaften und -zusammensetzung hier ausdrücklich einbezogen wird.
  • Ergänzend kann man selbstverständlich in Lichteinfallrichtung vor oder auf den Si-Wafer-Solarzellen angeordnete Abdeckungen etc. mit einer Licht streuenden Oberflächenstruktur oder -beschichtung und/oder mit einer die Reflexion des einfallenden Lichtes mindernden Beschichtung oder Oberflächenstruktur ausstatten. Geeignete Gläser werden von der Anmelderin für Solaranwendungen seit Jahren hergestellt und sind unter dem Markennamen „ALBARINO ®" im Markt verfügbar.
  • Um Solarzellen in der vorstehend erörterten Bauart herzustellen, kann folgendes Verfahren benutzt werden: Als Ausgangsmaterial werden p-type Si-Wafer verwendet. Durch Phosphordiffusion wird (zumindest) auf der Vorderseite des Wafers eine n-type-Oberfläche (als Emitter) erzeugt. Die Phosphordiffusion wirkt sich in der Regel aber auf beide Seiten des Wafers aus, da die Rückseite nicht maskiert wird.
  • Auf diese Rückseite wird sodann eine Licht streuende Schicht und darauf eine Aluminiumschicht als metallische Rückelektrode aufgebracht. Schon bei diesem Prozessschritt durchdringt das Aluminium lokal and einzelnen Stellen die teil-poröse lichtstreuende Schicht und berührt dort den Si-Wafer. Das Zwischenprodukt wird erhitzt. Infolge der an sich bekannten Vorgänge der Penetration des Aluminiums durch Siliziumoxid und des Diffundierens von Al in den Wafer wird an der rückseitigen Oberfläche des Wafers die dort eventuell vorhandene n-Dotierung des Phosphors durch Al-Anteile überkompensiert, d.h. die Rückseite wird auf der Oberfläche lokal/punktförmig wieder p-dotiert (wie vor der Phosphordiffusion).
  • Bei dieser Vorgehensweise hat man also vor dem Aufbringen des Rückkontaktes „ohnehin" eine n-type Oberfläche, die man dann also wie vorstehend beschrieben nutzen kann, um in Kombination mit der Licht streuenden Schicht eine gut passivierte punktkontaktierte Rückseite zu erhalten, die außerdem das Licht reflektiert und streut.
  • Ohne diese n-type Oberflächendotierung der Rückseite kann in ähnlicher Weise eine nur punktuell durch das Al durchbrochene Oberflächen-Passivierungsschicht aus z.B. SiOx genutzt werden. Dies gilt auch für eine ganzflächig aufgebrachte stark p-Typ artige Oberflächendotierung, die zwar an sich schon durch die Formation des schon erwähnten sogenannten „Back Surface Field" eine gewisse Oberflächenpassivierung erzeugt, die aber in ihrer Qualität wesentlich erhöht wird, wenn der Kontakt zum Metall auf kleine Flächenanteile beschränkt wird.
  • Es ist eine natürliche Erweiterung der Erfindung, dass sie sich auch anwenden lässt auf aufwendigere Solarzellenstrukturen, die sowohl p-type als auch n-type Regionen auf der Rückseite haben, und dann z.B. mit zwei ineinander greifenden kammartigen Kontakten belegt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.
    •
  • Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung
  • 1 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Si-Wafer-Solarzelle, bei der eine Licht streuende Schicht zwischen dem an der Oberfläche n-dotierten Absorber und der Rückelektrode eingebettet ist;
  • 2 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Si-Wafer-Solarzelle, bei der eine Licht streuende Schicht zwischen einer Passivierungsschicht und der Rückelektrode eingebettet ist;
  • 3 eine vergrößerte Detailansicht analog zu 2, worin die Brechung eines Lichtstrahls zwischen der Rückelektrode und dem Absorber angedeutet ist.
  • Gemäß 1 umfasst eine Solarzelle 1 im prinzipiellen Aufbau einen Absorber 2 in Gestalt eines Silizium-Wafers, dessen Oberfläche durch eine geeignete Behandlung, z.B. Phosphordiffusion, n-oberflächendotiert wurde. Diese von der Oberfläche zum Inneren des Wafers/Absorbers hin sich verringernde Dotierung ist stark vereinfacht durch zwei punktiert gezeichnete Linien 3 entlang den Außenkanten des Absorbers 2 angedeutet. Die Dotierung muss abweichend von der Darstellung nicht auch an der Seitenoberfläche vorliegen.
  • Die in der Zeichnung oben liegende Seite des Absorbers 2 ist dem einfallenden Licht zugewandt. Zur Vereinfachung wurde auf eine Darstellung der auf einem p-type Si-Wafer in der Regel n-type dotierten und mit einer Frontelektrode bzw. einem „Emitter" versehenen Wafer-Oberfläche verzichtet.
  • Direkt auf die vom Lichteinfall abgewandte Rückseite des Absorbers 2 ist eine Licht streuende Schicht 4 abgeschieden, auf welcher wiederum eine metallische Rückelektrode 5 in Schichtform abgeschieden ist. Die Rückelektrode wird vorzugsweise aus Aluminium hergestellt oder enthält dieses Metall, das sich für den hier vorliegenden Anwendungsfall infolge seiner guten Dotierungseigenschaften mit Silizium und der Fähigkeit, eine Oberflächenpassivierungsschicht aus z.B. Siliziumoxid zu durchdringen, besonders empfiehlt.
  • Schematisch sind unterhalb der Rückelektrode 5 noch eine Klebeschicht 6 und eine Tragplatte 7 angedeutet. Letztere kann in an sich bekannter Weise zum Aufbau eines Solarmoduls aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Solarzellen 1 genutzt werden. Die Klebeschicht kann aus einem Gießharz oder aus thermoplastischen Folien hergestellt werden, die jeweils natürlich physikalisch und chemisch mit den angrenzenden Bestandteilen der Solarzellen kompatibel sein müssen. Bei Bedarf wird natürlich auch auf der Lichteinfallseite der Solarzellen eine geeignete Abdeckung vorgesehen, deren Lichttransmission möglichst hoch sein sollte.
  • Die Licht streuende Schicht 4 wirkt hier als flächiger Isolator zwischen dem Absorber 2 und der Rückelektrode 5. Letztere muss deshalb in an sich bekannter Weise wenigstens punktförmig mit dem Absorber 2 stromleitfähig verbunden werden. Punktförmig ist hier so zu verstehen, dass eine über die gesamte Elektroden- und Waferfläche sich erstreckende Kontaktierung durch eine Vielzahl von im einzelnen geringen Flächen gebildet wird.
  • Diese Definition von „punktförmig" umfasst auch solche Strukturen, die nur im Querschnitt punktförmig aussehen, wie z.B. linienförmige Kontaktbereiche. Diese Bereiche sind angedeutet durch eine Schar von Fortsätzen 5C (oder „Peaks") der Rückelektrodenschicht, die sich durch die Licht brechende und mit einer gewollten Porosität hergestellten Schicht 4 hindurch bis in den Körper des Absorbers 2 hinein erstrecken, wobei sie auch unter Umständen vorhandene Bereiche einer n-type Oberflächen-Dotierung des Wafers durchdringen. Aus der sehr vereinfachten Darstellung können natürlich keine Rückschlüsse auf die reale Gestalt bzw. Querschnitte dieser Fortsätze und auf ihre chemische Zusammensetzung gezogen werden.
  • Die in 2 dargestellte Variante umfasst eine Passivierungsschicht 6 als diskrete, Licht durchlassende Schicht zwischen dem Absorber 2 und der Licht brechenden Schicht 4. Die Schicht 6 kann mit einer n-type oder p-type Oberflächen-Dotierung (Linien 3) des Wafers gemäß 1 kombiniert werden oder eine solche ersetzen. Sie wird ganz bevorzugt aus SiOx oder SiNx hergestellt oder enthält solche Silizium-Verbindungen.
  • Die Dicken der einzelnen Schichten können hier nicht maßstäblich wiedergegeben werden.
  • Das Beispiel nach 2 hat jedenfalls wieder entsprechend 1 eine wie oben definierte punktförmige Kontaktierung zwischen der Rückelektrode 5 und dem Wafer bzw. Absorber 2. Diese erstrecken sich ersichtlich nicht nur durch die Licht streuende Schicht 4, sondern auch durch die Passivierungsschicht 8 hindurch.
  • Das Detail der 3 verdeutlicht noch das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schichtausstattung der Solarzelle 1. Gleiche Bestandteile wie in 1 haben dieselben Bezugszeichen wie dort. Man erkennt wieder den Wafer 2 mit den auf seiner Rückseite abgeschiedenen Schichten 8, 4 und 5.
  • Anhand eines grafisch stark vereinfachten Beispiels wird die Funktionsweise der Licht streuenden Schicht und die damit einhergehende verbesserte Ausnutzung einfallenden Lichts in der Solarzelle 1 näher erörtert. Es sei dabei bemerkt, dass die dieser bewusst anschaulich gehaltenen Beschreibung zugrunde liegende geometrische Optik bei den hier diskutierten Verhältnissen zwischen Lichtwellenlänge und Oberflächenstrukturgrößen für eine korrekte physikalische Beschreibung nicht mehr alleine angemessen ist. Interferenzsowie Nahfeldeffekte wären für eine exakte Beschreibung hinzuzuziehen. Dennoch ist für eine intuitive Beschreibung die geometrische Optik geeignet, um die grundsätzlich von der Erfindung ausgenutzten Effekte zu verstehen.
  • So weit ein von oben senkrecht auftreffender Lichtstrahl L den Absorber 2 noch durchdringt, kann er zunächst an der (unebenen) Grenzfläche zwischen dem Absorber 2 und der Passivierungsschicht 8 gebrochen (zerlegt, gestreut) und teil-reflektiert und damit schon in die letztere wieder hinein gestreut werden (hier vereinfachend nicht dargestellt).
  • Der noch nicht absorbierte und an oben genannter Grenzfläche nicht reflektierte Anteil des Lichtstrahls fällt auf die Oberfläche der Licht streuenden Schicht 4 und wird auch dort teilweise gestreut, teilweise -je nach Einfallswinkel und mikroskopischer Position- auch reflektiert. Von einer Darstellung der an der Schicht 4 reflektierten Lichtmenge wurde allerdings vereinfachend abgesehen.
  • Durchgelassene Anteile erfahren multiple Reflektionen und werden so entweder zurück in den Silizium-Wafer gestreut oder gelangen sodann noch in die Grenzfläche zu der Metallschicht 5, welche sie wieder in die Licht brechende Schicht 4 reflektiert. Da die Licht streuende Schicht 4 das Licht nicht oder nur sehr wenig absorbiert, werden auch diese Anteile des Lichtes wieder in den Absorber der Solarzelle geleitet.
  • Insgesamt wird der einzelne einfallende Lichtstrahl L so in eine Vielzahl von Strahlengängen aufgeteilt, die sich alle auf mehr oder weniger großer Länge durch den Absorber 2 erstrecken und damit den Grad der Lichtnutzung bedeutend erhöhen. Es sei nochmals angemerkt, dass die Darstellung auch der Lichtstrahlen nur der Verdeutlichung der Wirkung der Licht streuenden Schicht dient und nur sehr bedingt die tatsächlichen Brechungs- und Reflexionsverläufe wiedergibt.

Claims (10)

  1. Photovoltaische Silizium-Wafer-Solarzelle (1) mit einer Frontelektrode (3), einem Absorber (4) und einer metallischen Rückelektrode (5) sowie mit Maßnahmen zum Streuen von in den Absorber (4) einfallendem oder rückgespiegelten Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die der Rückelektrode (5) zugewandte Oberfläche des Wafers durch Dotierung und/oder durch eine gesonderte Schicht passiviert ist, und dass zwischen dem Absorber (2) und der Rückelektrode (5) mindestens eine Schicht (4) mit Licht streuenden und/oder reflektierenden Eigenschaften vorgesehen ist, wobei mindestens lokale elektrische Kontakte (5C) zwischen der Rückelektrode (5) und dem Absorber (2) die Schicht (4) durchdringen.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lokalen elektrischen Kontakte durch in der Licht streuenden Schicht (4) vorhandene Poren oder darin erzeugte Durchbrüche erstrecken.
  3. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zur metallischen Rückelektrode (5) gewandte Oberfläche des aus n-type oder p-type-dotiertem Silizium bestehenden Absorbers (2) durch eine jeweils entweder n-type Dotierung, p-type Dotierung und/oder eine Passivierungsschicht wie z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder durch eine solche Materialien enthaltende Schicht passiviert ist, um Oberflächen-Rekombination zu minimieren.
  4. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Licht streuende und/oder reflektierende Schicht (4) mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundene, Licht reflektierende Partikel enthält.
  5. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende und/oder reflektierende Schicht (4) mineralische Partikel aus Oxiden, Nitriden oder Karbiden enthält, insbesondere mit Korngrößen zwischen 0,1 und 3 μm.
  6. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Schicht (4) ein organisches oder mineralisches Bindemittel mit einem Volumenanteil von 10 bis 40% enthält.
  7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbrechungsindex der Partikel verschieden von dem des Bindemittels ist.
  8. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Lichteinfallseite des Absorbers eine Abdeckung mit einer Licht streuenden Oberflächenstruktur oder -beschichtung und/oder mit einer Lichtreflexion mindernden Beschichtung vorgesehen ist.
  9. Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Licht streuende Schicht mit hoher Lichttransmission auf der Lichteinfallseite des Absorbers (2) angeordnet ist.
  10. Solarmodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Solarzellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen insbesondere auf einer gemeinsamen Tragstruktur (7) festgelegt sind.
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