DE102005025125A1

DE102005025125A1 - Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle und einseitig kontaktierte Solarzelle

Info

Publication number: DE102005025125A1
Application number: DE102005025125A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Stangl; Marinus Dr. rer. nat. Kunst; Klaus Dr. rer. nat. Lips; Manfred Dr. Schmidt; Jens Schneider; Frank Dr. Wünsch
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2005-05-29
Filing date: 2005-05-29
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: US20090014063A1; JP2008543067A; DE102005025125B4; WO2006128427A3; EP1894254A2; WO2006128427A2

Abstract

Bekannte einseitig kontaktierte Solarzellen mit beiden Kontaktierungssystemen auf einer Oberseite der Absorberschicht weisen bezüglich der Emitterschicht und der Kontaktierungssysteme besondere Strukturen auf, die aufwändige Strukturierungsschritte erforderlich machen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gleichermaßen zur Herstellung von Vorder- oder Rückseitenkontaktierungen. Es sieht eine direkte Anordnung eines Kontaktgitters (KG) auf einer Oberseite der Absorberschicht (AS) vor (lichtzugewandte Oberseite (OSZ): Vorderseitenkontaktierung, lichtabgewandte Oberseite (OSA): Rückseitenkontaktierung). Das Kontaktgitter (KG) wird anschließend lokal mit einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht (IS) überzogen. Nachfolgend wird ganzflächig die Emmitterschicht (ES) abgeschieden, sodass das Kontaktgitter (KG) zwischen der Absorberschicht (AS) und der Emmitterschicht (ES) liegt. Die Emitterschicht (ES) wird dann flächig von einer Kontaktschicht (KS) belegt. Bei der Rückseitenkontaktierung ist die Emitterschicht (ES) ebenfalls auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS) angeordnet, sodass zusätzliche Absorptionsverluste vermieden werden. Die Emitterschicht (ES) bildet mit der Absorberschicht (AS) einen pn-Übergang aus, der besonders gut ausgeprägt ist, wenn die Absorberschicht (AS) aus kristallinem und die Emitterschicht (ES) aus amorphem Silizium besteht, sodass eine Heterokontaktsolarzelle (HKS) gebildet wird. Es können sowohl Dickschicht- ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein erstes Kontaktierungssystem und die Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein zweites Kontaktierungssystem gesammelt und abgeleitet werden, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, und auf eine einseitig kontaktierte Solarzelle.
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus Halbleitermaterialien, die Bereiche oder Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit für positive und negative Ladungsträger, n-typ oder. p-typ leitende Bereiche, enthalten. Die Bereiche werden als Emitter und Absorber bezeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative Überschuss-Ladungsträger werden am pn-Übergang zwischen Emitter und Absorber getrennt und können durch mit den jeweiligen Bereichen elektrisch leitend verbundenen Kontaktierungssystemen gesammelt und abgeführt werden. Zur nutzbaren elektrischen Leistung von Solarzellen tragen entsprechend nur solche überschüssigen Ladungsträger bei, die die Kontaktierungssysteme erreichen und nicht vorher mit einem jeweils gegenpoligen Ladungsträger rekombinieren.
Einseitig kontaktierte Solarzellen weisen beide Kontaktierungssysteme zum getrennten Einsammeln der überschüssigen Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht auf einer gemeinsamen Oberseite auf. Dies hat zunächst grundsätzlich den Vorteil, dass nur eine Oberseite zur Kontaktierung bearbeitet werden muss, während die andere Oberseite hinsichtlich der Kontaktierung unbearbeitet bleibt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Vorderseitenkontaktierung" verwendet, wenn sich beide Kontaktierungssysteme auf der Vorderseite und damit der lichtzugewandten Oberseite der Solarzelle befinden. Der Begriff „Rückseitenkontaktierung" wird hingegen verwendet, wenn beide Kontaktierungssysteme auf der Rückseite und damit der lichtabgewandten Oberseite der Solarzelle angeordnet sind. Wichtig bei der Anordnung der Kontaktierungssysteme ist jedoch immer in erster Linie ihrer Effizienz bei der Ladungsträgersammlung. Ist die Absorberschicht der Solarzelle von hinreichend guter elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger größer als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollten die stromabführenden Kontaktierungssysteme in der Regel vorteilhafterweise auf der lichtabgewandten Oberseite der Solarzelle liegen (Rückseitenkontaktierung). Hieraus ergeben sich dann insbesondere die Vorteile, dass erstens keine Abschattungsverluste durch ein Kontaktierungssystem auftreten, was zu einer Effizienzverbesserung der Solarzelle führt, und zweitens eine gute einfache ganzflächige vorderseitige Passivierung der lichtzugewandten Oberseite der Solarzelle möglich ist, um eine Rekombination der überschüssigen Ladungen an der lichtzugewandten Oberseite effektiv und einfach zu verhindern. Ist die Absorberschicht jedoch von relativ geringer elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger kleiner als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollten die stromabführenden Kontaktierungssysteme vorteilhafterweise auf der lichtzugewandten Oberseite der Solarzelle (Vorderseitenkontaktierung) liegen. Alle Minoritäts-Ladungsträger des Absorbers, die in einer Tiefe generiert werden, die kleiner als die effektive Diffusionslänge des Absorbers ist, können dann zuverlässig gesammelt werden. Gegenüber der dann unvermeidbaren nachteiligen Beschattung durch zumindest ein Kontaktierungssystem besteht bei der einseitigen Vorderseitenkontaktierung ein bedeutsamer Vorteil dann in einem technologisch sehr einfachen Kontaktierungsverfahren, das insbesondere keine Rückseitenkontaktierung umfasst, und somit beispielsweise in der Dünnschichtabscheidung keine Strukturierung benötigt.

Einseitig vorderseitig kontaktierte Solarzellen sind bisher in Ermangelung eines technologisch einfachen und effizienten Herstellungsverfahrens kaum realisiert worden. Aus dem Stand der Technik sind hauptsächlich einseitige Rückseitenkontaktierungen bekannt. Dabei ist sicherzustellen, dass das erste Kontaktierungssystem zur Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht von dem zweiten Kontaktierungssystem zur Sammlung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht elektrisch zuverlässig isoliert ist. Aus dem Stand der Technik sind dazu verschiedene Konzepte zur Herstellung und zum Aufbau von einseitig rückseitenkontaktierten Solarzellen bekannt.

Ein Konzept der Rückseitenkontaktierung ist die Ausnutzung von Oberflächenerhebungen, beispielsweise aus der DE 41 43 083 A1 bekannt. Dabei sind das erste und zweite Kontaktierungssystem unmittelbar oder auf einer Isolationsschicht auf einer Erhebungen aufweisenden Substratfläche angeordnet, (beispielsweise pyramiden-, kegel- oder zylinderförmig ausgeprägt), wobei die Erhebungen zumindest bereichsweise zuvor mit Passivierungsmaterial abgedeckt und anschließend abschnittsweise zur Anbringung der Kontaktierungssysteme von diesem freigelegt worden sind. Weiterhin erstreckt sich entlang der Substratfläche zwischen den Kontaktierungssystemen eine Inversionsschicht zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht. Aus der DE 41 43 084 A1 ist es weiterhin bekannt, zunächst die gesamte strukturierte Substratoberfläche zu passivieren und die Passivierungsschicht anschließend im Bereich der Erhebungen wieder zu entfernen. Aus der DE 101 42 481 A1 ist es schließlich bekannt, diese Erhebungen in Form von Rippen auf der Unterseite des aktiven Halbleitersubstrats anzuordnen und je eine Rippenflanke durch gerichtetes Aufdampfen mit einem Kontaktierungssystem zu versehen. Teil dieses Konzepts ist also immer das Erzeugen von Erhebungen auf der Substratunterseite, die dann in unterschiedlicher Weise bearbeitet werden.

Ein anderes Konzept der Rückseitenkontaktierung ist die Punktkontaktierung (PC). Hier werden die beiden Kontaktierungssysteme auf der Rückseite in Form von Punkten sehr klein gehalten, um den Sättigungssperrstrom zu erniedrigen und damit die Leerlaufspannung der Solarzelle zu erhöhen. Eine extrem gute Oberflächenpassivierung spielt hierbei jedoch eine entscheidende Rolle. Aus der US 5.468.652 ist beispielsweise eine Punktkontaktierung bekannt, bei der mit einem Laser durch die Emitterschicht, die auf der lichtzugewandten Oberseite der Absorberschicht angeordnet ist, und durch die Absorberschicht gebohrte Löcher mit dem zweiten Kontaktierungssystem auf der Substratunterseite kontaktiert werden. Dabei ist das zweite Kontaktierungssystem mit dem ersten Kontaktierungssystem zur Ableitung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht verschachtelt angeordnet. Aus der WO 03/019674 A1 ist eine Punktkontaktierung mit verschieden großen Kontaktlochdurchmessern, die rechteckigen Bereichen symmetrisch angeordnet sind, bekannt. Aus der DE 198 54 269 A1 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ist weiterhin eine Punktkontaktsolarzelle bekannt, bei der das zweite Kontaktierungssystem zum Sammeln der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht gitterförmig ausgebildet und direkt auf der Rückseite der Absorberschicht vor einem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist. Das erste Kontaktierungssystem zum Sammeln der Majoritätsträger aus der Absorberschicht ist ganzflächig ausgebildet und auf der Rückseite eines elektrisch leitenden Substrats angeordnet. Das zweite Kontaktierungssystem zwischen Absorberschicht und Substrat ist auf beiden Seiten elektrisch isoliert. Die Verbindung zur Emitterschicht ergibt sich wiederum durch Bohrungen durch Emitter- und Absorberschicht, die als Kontaktlöcher mit einem Metall aufgefüllt sind (vergleiche 6 ebenda). Die elektrische Kontaktierung des zweiten Kontaktierungssystems erfolgt über seitlich von der Solarzelle angeordnete Brücken. Auch bei der Punktkontaktierung sind somit strukturierende Verfahrensschritte erforderlich.

Gleiches gilt für das dritte Konzept der interdigitalen Solarzelle (Interdigitated Back Contact IBC) mit einer Rückseitenkontaktierung, bei der das erste und zweite Kontaktierungssystem ebenfalls kammartig auf der Substratrückseite verschachtelt angeordnet sind und das beispielsweise aus der US 4.927.770, der US 2004/0200520 A1, der DE 195 25 720 C2 oder der DE 100 45 246 A1 bekannt ist. Im Gegensatz zu der Punktkontaktsolarzelle ist aber die Emitterschicht, nicht durchgängig auf der lichtzugewandten Vorderseite der Absorberschicht angeordnet, sondern in kleinen Teilbereichen auf der lichtabgewandten Rückseite. Dort erfolgt eine Abwechslung mit Teilbereichen der gleichen, aber stärkeren Dotierung wie die Absorberschicht zur Ausbildung eines Minoritäts-Ladungsträger rückstreuenden Oberflächenfeldes (Back Surface Field BSF). Die Strukturierungsmaßnahmen erstrecken sich bei diesem Konzept daher auf die Ausprägung der Emitterschicht. Die elektrische Isolation der verschiedenen Teilbereiche gegeneinander ist dabei ein gewichtiges Problem.

Aus der DE 198 19 200 A1 , die sich wie die vorliegende Erfindung grundsätzlich mit dem Kontaktierungsproblem beschäftigt, ist eine einseitige Vorderseitenkontaktierung bekannt, bei der die Emitterschicht und beide Kontaktierungssysteme fingerförmig strukturiert sind (vergleiche 4 ebenda). Weiterhin wird eine Einseitenkontaktierung durch Ätzstrukturieren von Gräben- oder Löchern und Aufbringen von Metallisierungen durch Schattenmasken hindurch aufgezeigt. Aus der DE 197 15138 A1 ist es weiterhin bekannt, Solarzellen mit einer Vorderseitenkontaktierung durch Strukturierung beider Kontaktierungssysteme und der Emitterschicht in Reihe zu schalten, in dem die Stege der kammartigen Kontaktierungssysteme miteinander entsprechend elektrisch leitend verbunden sind. Derartige Reihen- oder Parallelschaltungen mit rückseitig kontaktierten Solarzellen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.

Aufgabenstellung und erfindungsgemäße Lösung

Die Aufgabe für die Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle anzugeben, das in einfacher Weise ohne aufwändige Strukturierungsmaßnahmen sowohl für die Kontaktierungssysteme als auch für die einzelnen Solarzellenschichten auskommt. Dabei soll jedoch trotzdem eine zuverlässig arbeitende Solarzelle mit einer guten elektrischen Trennung der beiden Kontaktierungssysteme und einem möglichst hohen Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Verfahrensanspruch und dem nebengeordneten Erzeugnisanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen werden in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das erste Kontaktierungssystem in Form eines Kontaktgitters direkt auf eine Oberseite der Absorberschicht aufgebracht, sodass sich ein guter ohmscher Kontakt ausbildet. Die Kontaktfläche des Kontaktgitters zur Absorberschicht ist dabei so bemessen, dass es den zu erwartenden Strom optimal abführen kann. Die Gesamtfläche des Kontaktgitters beträgt dazu in der Regel weniger als 5% der Absorberfläche. Anschließend wird das Kontaktgitter auf seiner freien, nicht mit der Absorberschicht in Berührung stehenden Oberfläche durch Aufbringen einer Isolationsschicht elektrisch isoliert. Dabei weist diese Isolationsschicht mindestens eine solche minimale Schichtstärke auf, dass auch das Durchtunneln von Ladungsträgern sicher verhindert ist. Weiter unten werden verschiedene Wege zum Aufbringen der Isolationsschicht aufgezeigt. Die elektrische Kontaktierung des Kontaktgitters kann durch seitlich angeordnete Stege oder durch Aussparen (beispielsweise per Schattenmaske) eines Anschlussbereiches auf dem Kontaktgitter während der Abscheidung der Emitterschicht und Freilegen des Anschlussbereiches durch Entfernen (beispielsweise durch mechanisches Abkratzen) der nachfolgend erzeugten Isolationsschicht erfolgen.

Nach der elektrischen Isolierung des Kontaktgitters wird ganzflächig die Emitterschicht auf das Kontaktgitter aufgebracht, sodass das Kontaktgitter zwischen Absorber- und Emitterschicht liegt. Die Schichtstärke der aufgebrachten Emitterschicht ist dabei so bemessen, dass die Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht auf die absorberschichtabgewandte Rückseite der Emitterschicht gelangen können. Insbesondere kann auch eine Emitterdünnschicht aufgebracht werden. Weiterhin besteht die Emitterschicht aus einem solchen Material, dass zur Absorberschicht ein gut passivierender pn-Übergang aufgespannt wird, wobei eine maximale Grenzflächen-Rekombinationsrate der Ladungsträger von 10⁵ Rekombinationen/cm²s einzuhalten ist. Anzustreben ist aber eine Grenzflächen-Rekombinationsrate von beispielsweise 10² Rekombinationen/cm²s. Ausführungsformen der Emitterschicht siehe weiter unten.

Das zweite Kontaktierungssystem zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht aus der Emitterschicht wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anschließend als unstrukturierte Kontaktschicht auf der Rückseite der Emitterschicht angeordnet, sodass ein guter ohmscher Kontakt entsteht. Dabei kann die Kontaktschicht ganzflächig oder durch Anwendung von Maskentechnik teilflächig ausgebildet sein und in einfacher Weise, beispielsweise durch Applizieren eines Metallkontaktes oder durch Aufdampfen, aufgebracht werden. Das elektrische Kontaktieren der Kontaktschicht kann aufgrund ihrer direkten Zugänglichkeit ohne weitere Maßnahmen direkt erfolgen.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich in gleicher Weise zur Herstellung einer einseitigen Vorderseiten- oder Rückseitenkontaktierung einer Solarzelle. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass die Wahl der einseitigen Kontaktierung von der elektronischen Qualität der Absorberschicht abhängt. Ist diese gut, ist eine Rückseitenkontaktierung wegen der geringeren Abschattungsverluste vorzuziehen. Ist die elektronische Qualität jedoch schlecht, sollte einer Vorderseitenkontaktierung der Vorzug gegeben werden.

Eine Rückseitenkontaktierung ergibt sich, wenn der Verfahrensschritt II – Aufbringen des Kontaktgitters zum Sammeln der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht – auf der lichtabgewandten Oberseite der Absorberschicht durchgeführt wird. Dabei ist auch die Emitterschicht auf der lichtabgewandten Rückseite der Absorberschicht angeordnet, wodurch die normalerweise auftretenden Absorptionsverluste durch eine auf der lichtzugewandten Vorderseite der Absorberschicht angeordnete Emitterschicht vermieden werden. Da nunmehr keine Passivierung der Absorberschicht auf der lichtzugewandten Vorderseite durch die Emitterschicht mehr erfolgt, ist dort die Absorberschicht in einem weiteren Verfahrensschritt A nach dem Verfahrensschritt I – Bereitstellen der Absorberschicht – durch eine entsprechend transparente Deckschicht zu passivieren. Dabei dient die passivierende Deckschicht, die beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen kann, sowohl der Oberflächen-Rekombinationsverringerung (durch direkte Passivierung der Oberflächen-Defekte oder durch Ausbildung eines Minoritäts-Ladungsträger rückstreuenden Oberflächenfelds, Front Surface Field FSF) als auch der Verminderung der Reflexion einfallenden Lichts in Form einer Antireflexschicht.

Eine Vorderseitenkontaktierung wird erreicht, wenn der Verfahrensschritt II auf der lichtzugewandten Oberseite der Absorberschicht durchgeführt wird. Entsprechend ist bei der Vorderseitenkontaktierung dann die Kontaktschicht zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht aus der Emitterschicht, die ebenfalls auf der Lichteinfallsseite angeordnet ist, transparent auszuführen, beispielsweise in Form einer transparenten leitenden Oxidschicht, TCO. Ob auf die lichtabgewandte Oberseite der Absorberschicht eine Deckschicht aufzubringen ist (Verfahrensschritt B), hängt wiederum von deren elektronischer Qualität ab. Ist diese gut, ist eine Passivierungsschicht zur Vermeidung von Ladungsträgerrekombination erforderlich. Zudem ist gegebenenfalls eine Reflexionsschicht zur Reflexion der nicht absorbierten Photonen förderlich. Ist die elektronische Qualität der Absorberschicht hingegen schlecht, erreichen die Minoritäts-Ladungsträger nicht die Absorberschichtrückseite, sodass hier keine weiteren Maßnahmen zu treffen sind. Da dann die lichtabgewandte Oberseite der Absorberschicht keine passivierende Deckschicht benötigt, können beispielsweise sehr defektreiche Anfangsschichten (Saatschichten) zum Aufwachsen der Absorberschicht und/oder Reflexionsschichten zur Reflexion der nicht absorbierten Photonen als Deckschichten eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Ladungsträgersammlung auf der Vorderseite kann ein weiterer Verfahrensschritt C nach dem Verfahrensschritt V – Aufbringen der Kontaktschicht – vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um das Aufbringen eines Kontaktelements auf die lichtzugewandte Oberseite der transparenten Kontaktschicht. Damit die Abschattungsverluste minimiert werden, ist es vorteilhaft, wenn Kontaktelement und Kontaktgitter kongruent aufgebaut sind und direkt übereinander positioniert werden.

Das Aufbringen des Kontaktgitters – wobei unter dem Begriff „Gitter" auch fingerförmige oder ähnliche Ausprägungen verstanden werden – kann in vorgefertigter Form direkt auf die Absorberschicht beispielsweise mittels eines Leitklebers aufgebracht werden. Weiterhin kann das Kontaktgitter selektiv direkt auf der Absorberschicht durch einfachen Siebdruck oder unter Anwendung einer entsprechenden Maske durch thermisches Verdampfen eines elektrisch leitfähigen Materials erfolgen. Anwendung von Tintenstrahldruck oder Photolithographie ist ebenfalls möglich.

Um unter dem Kontaktgitter unerwünschte Rekombinationen der Minoritäts-Ladungsträger zu vermeiden, kann ein zusätzlicher Verfahrensschritt F nach dem Verfahrensschritt II – Aufbringen des Kontaktgitters auf die Absorberschicht – vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um das Eintempern des leitenden Materials, beispielsweise Aluminium, aus dem Kontaktgitter in die darunter liegende Absorberschicht, beispielsweise p-dotiertes Silizium, zur Ausbildung eines BSF (alneal-Prozess). Insbesondere kann dieser thermische Schritt verbunden werden mit dem thermischen Schritt zur Ausbildung einer elektrisch isolierten Isolationsschicht auf dem Kontaktgitter (siehe nächster Absatz).

Zum Aufbringen der Isolationsschicht auf die freie Oberfläche des Kontaktgitters gemäß Verfahrensschritt III kann beispielsweise eine isolierende Masse selektiv unter Anwendung von Sieb- oder Tintenstrahldruck oder einer Maske, insbesondere einer Schattenmaske, Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Photolithographie aufgebracht werden. Alternativ kann auch auf der gesamten freien Oberfläche von Kontaktgitter und Absorberschichtrückseite thermisch oder nasschemisch oder elektrochemisch eine Oxidschicht aufgewachsen werden (Verfahrensschritt D). Hierbei bildet sich aufgrund der für Kontaktgitter und Absorberschicht unterschiedlich gewählten Materialien eine unterschiedliche Oxidschicht aus. Bei einem Kontaktgitter beispielsweise aus Aluminium entsprechend Aluminiumoxid, bei einer Absorberschicht aus Silizium im Falle einer Sauerstoff-Temperung thermisches Siliziumoxid. Im Beispiel einer Sauerstoff-Temperung kann bei dem System Aluminium-Kontaktgitter auf Silizium-Absorberschicht ein ca. 20 nm dickes Aluminiumoxid an der freien Oberflächen des Kontaktgitters und ein ca. 5 nm dickes Siliziumoxid an der Oberfläche der nicht vom Kontaktgitter bedeckten Absorberschicht erwartet werden. Im Falle der thermischen Erzeugung der Oxidschicht kann dieser Vorgang zusammen mit dem Verfahrensschritt F – Eintempern des leitenden Materials des Kontaktgitters in die Absorberschicht zur Bildung eines BSF – in einem temperaturgesteuerten Heizprozess durchgeführt werden.

Das anschließende selektive Ätzen der Oxidschicht auf der Absorberschicht (Verfahrensschritt E) ist entsprechend problemlos durchzuführen, da die unterschiedlichen Oxide in der Regel unterschiedliche Ätzraten im Ätzprozess aufweisen. Insbesondere ist, bei einem entsprechend gewählten Ätzmedium, ein Metalloxid ätzresistenter als ein Siliziumoxid. Im Materialbeispiel von Aluminium und Silizium, das dann entsprechend auch für die Emitterschicht verwendet wird, kann das selektive Ätzen beispielsweise durch einfaches kurzzeitiges Eintauchen in verdünnte Flusssäure HF umgesetzt werden. Die Flusssäure entfernt hierbei nicht nur selektiv das Silizium-Oxid, sondern gewährleistet gleichzeitig eine gute Oberflächenpassivierung der Absorberschicht aus Silizium durch Ausbildung von Si-H-Bindungen. Das Ätzmittel kann also so gewählt werden, dass nach der Entfernung des Oxids auf der Absorberschicht diese an ihrer freigelegten Oberfläche gut passiviert wird.

Häufig werden bei Solarzellen Pufferschichten zwischen der Emitter- und der Absorberschicht eingesetzt, um die Grenzfläche zwischen Emitter und Absorber besser zu passivieren. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn ein weiterer optionaler Verfahrensschritt G nach dem Verfahrensschritt III – Erzeugen der Isolationsschicht auf dem Kontaktgitter – vorgesehen ist. Hierbei handelt es sich entsprechend um das optionale, ganzflächige Abscheiden einer Pufferschicht in geringstmöglicher Schichtdicke. Im Fall von dotierten amorphem Silizium als Emittermaterial auf einem kristallinen Silizium-Wafer als Absorber kann die Pufferschicht beispielsweise als ultradünne (ca. 5nm) Schicht aus intrinsischen (undotiertem) amorphem Silizium bestehen. Pufferschichten können aber auch von einem Salz, beispielsweise aus Cäsiumchlorid, gebildet werden. Es wird dann ein entsprechender Oberflächendipol aufgespannt und ebenfalls die Grenzflächen-Rekombination am pn-Übergang unterdrückt.

Durch das zuvor beschriebene Verfahren nach der Erfindung kann eine hocheffiziente Solarzelle sowohl als auf einem Wafer basierte Dickschichtzelle als auch als aufgewachsene Dünnschichtzelle mit einer ausschließlich einseitigen Kontaktierung hergestellt werden. Dabei ist die Solarzelle dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kontaktierungssystem ein bezüglich der Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorbersicht flächenoptimiertes und gegenüber der Emitterschicht mittels einer Isolationsschicht elektrisch isoliertes Kontaktgitter zwischen der Absorberschicht und der Emitterschicht und als zweites Kontaktierungssystem eine flächige Kontaktschicht auf der absorberschichtabgewandten Oberseite der Emitterschicht angeordnet ist, wobei die Emitterschicht aus einem Halbleitermaterial besteht, das zur Absorberschicht einen mit einer maximalen Grenzflächen-Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 10⁵ Rekombinationen/cm²s passivierenden pn-Übergang aufspannt. Eine auf diese Weise rückseitenkontaktierte Solarzelle zeigt zudem eine neuartige Schichtstrukturgeometrie auf, da sie eine durchgängige Emitterschicht auf der lichtabgewandten Oberseite der Absorberschicht aufweist.

Absorber- und Emitterschicht können bevorzugt aus Silizium bestehen. Dabei kann eine Heterokontaktsolarzelle gebildet werden, wenn kristallines Silizium, insbesondere mit n- oder p-typ Dotierung (n/p c-Si), für die Absorberschicht und amorphes, mit Wasserstoff angereichertes Silizium, entsprechend mit p- oder n-typ Dotierung (p/n a-Si:H), für die Emitterschicht eingesetzt werden. Eine optional vorhandene Pufferschicht zwischen Absorber- und Emitterschicht kann ebenfalls bevorzugt aus amorphem Silizium, allerdings undotiert, bestehen. Ein derartiges Materialsystem gewährleistet einen besonders gut passivierten pn-Übergang zur Ladungstrennung. Alle Kontaktierungssysteme können in diesem Fall bei einer Rückseitenkontaktierung aus Aluminium bestehen. Bei einer Vorderseitenkontaktierung muss die Kontaktschicht aus einem transparenten Leitmaterial bestehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich weiterer Ausführungsformen der einseitig kontaktierten Solarzelle nach der Erfindung auf den speziellen Beschreibungsteil verwiesen.

Das Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle und eine solche Solarzelle selbst nach der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den schematischen, nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
1 den schematischen Ablaufplan des Verfahrens,
2 eine rückseitenkontaktierte Solarzelle im Querschnitt,
3 eine vorderseitenkontaktierte Solarzelle im Querschnitt und
4 eine Modulverschaltung mehrerer einseitig kontaktierter Solarzellen in der Draufsicht.
Das Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle kann gleichermaßen zur Erzeugung einer Vorderseiten- wie auch einer Rückseitenkontaktierung eingesetzt werden. In der 1 wird anhand eines schematischen Ablaufplans (Solarzelle im Querschnitt dargestellt) die Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle SZ erläutert. Die Herstellung einer vorderseitenkontaktierten Solarzelle erfolgt in analoger Weise. Die Herstellung einer Solarzelle SZ mit einer Absorberschicht AS aus kristallinem Silizium mit p-typ Dotierung (p c-Si), einer Emitterschicht ES aus amorphem, mit Wasserstoff angereichertem Silizium mit n-typ Dotierung (n a-Si:H) und Aluminium für das Kontaktgitter KG und die Kontaktschicht KS, wird beispielhaft aufgezeigt. Bei einer derartigen Materialwahl, durch die die Solarzelle SZ als Heterokontaktsolarzelle HKS (vergleiche 2) ausgebildet wird, kann der Aluminium/Silizium-Kontakt auf bekannte Weise durch eine kurzzeitige Temperung ein lokales Ladungsträger rückstreuendes Gebiet BSF mit hoch p-dotiertem Silizium ausbilden, sodass die Rekombination am Kontaktgitter KG minimiert werden kann (alneal-Prozess).
Verfahrensschritt I
Auswahl und Bereitstellen einer geeigneten Absorberschicht AS. Hierbei kann es sich um einen Siliziumwafer, aber auch um eine mittels Dünnfilm-Technologie aufgewachsene Siliziumdünnschicht handeln. Bevorzugt kann es sich um kristallines Silizium in p-typ Dotierung handeln (p c-Si). Der spätere Lichteinfall in eine Oberseite OSZ der Absorberschicht AS, die dem Licht zugewandt ist, ist durch Pfeile dargestellt, diese sind in 1 unterhalb der Absorberschicht AS dargestellt.
Verfahrensschritt A
Passivierung der lichtzugewandten Oberseite OSZ der Absorberschicht AS mit einer Deckschicht DS aus Silizium-Oxid oder Silizium-Nitrid nach einem Standardverfahren. Dabei kann die Deckschicht DS eine Doppelfunktion haben, da sie neben der Passivierung (Passivierungsschicht PAS) noch die Reflexion (Antireflexionsschicht ARS) des einfallenden Lichts vermindert. Das Aufbringen von zwei oder mehreren Deckschichten DS mit getrennten Funktionen ist ebenfalls möglich.
Verfahrensschritt II
Aufbringen eines Kontaktgitters KG aus Aluminium auf eine lichtabgewandte Oberseite OSA der Absorberschicht AS. Das Aufbringen des Kontaktgitters KG kann durch thermisches Verdampfen durch eine Abdeckmaske, durch einfachen Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder aber durch Photolithographie erfolgen.
Verfahrensschritt F
Eintempern (in der 1 angedeutet durch vertikal geschlängelte Pfeile) des Aluminiums des Kontaktgitters KG in die Absorberschicht AS (alneal-Prozess). Hierdurch bilden sich lokale Ladungsträger rückstreuende Gebiete BSF unter dem Al-Kontaktgitter KG aus. Gegebenfalls kann zur Erzeugung der BSF auch der Verfahrensschritt A mit den Verfahrensschritten II und F vertauscht werden. Beim Verfahrensschritt F handelt es sich zwar um eine Option, durch den aber der Wirkungsgrad der Solarzelle SZ noch weiter erhöht werden kann. Der Verfahrensschritt F kann in einem gemeinsamen Heizprozess mit Verfahrensschritt D durchgeführt werden.
Verfahrensschritt III
Erzeugen einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht IS auf dem Kontaktgitter KG auf seiner freien Oberfläche. Dabei muss die Isolationsschicht IS mindestens eine solche Schichtstärke aufweisen, dass das Tunneln von Ladungsträgern sicher verhindert wird. Durch diese Isolationsmaßnahme ist eine zuverlässige Isolierung der beiden Kontaktierungssysteme gegeneinander gewährleistet. Die Isolationsschicht IS kann in einfacher Weise durch Aufbringen einer Isolationsmasse beispielsweise durch Sieb- oder Tintenstrahldruck, Maskentechnik, Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Photolithographie erzeugt werden. Alternativ kann aber auch eine isolierende Oxidschicht OX gemäß Verfahrensschritt D (Aluminiumoxid Al₂O₃ und Siliziumoxid SiO₂) erzeugt werden, bei der dann das Siliziumoxid auf der Absorberschicht AS gemäß Verfahrensschritt E auf der Absorberschicht AS anschließend wieder selektiv entfernt wird.
Verfahrensschritt D
Aufoxidieren der Oberfläche des Al-Kontaktgitters KG, z.B. durch Tempern in einer Sauerstoff-Atmosphäre (in der 1 angedeutet durch vertikal geschlängelte Pfeile). Es entsteht dann ein ca. 30 nm dickes Aluminiumoxid Al₂O₃ und ein ca. 5 nm dickes Siliziumoxid SiO₂, zumindest wenn der Verfahrensschritt F nicht durchgeführt wird. Ein nass- oder elektrochemisches Aufwachsen der Oxidschicht OX ist ebenfalls möglich.
Verfahrensschritt E
Selektives Abätzen des Siliziumoxids (in der 1 angedeutet durch kleine aufwärts zeigende Pfeile) im Bereich der Absorberschicht AS, beispielsweise mittels Eintauchen in verdünnte Flusssäure (HF-Dip). Flusssäure ätzt Siliziumoxid sehr stark, jedoch Aluminiumoxid kaum, sodass beim Eintauchen nur selektiv das Siliziumoxid entfernt wird. Entfällt Verfahrensschritt F, so ist das Siliziumoxid zudem noch dünner als das Aluminiumoxid. Wird Siliziumnitrid als passivierende Deckschicht DS verwendet, so ist diese ebenfalls inert gegen das Ätzen mit Flusssäure. Wird hingegen thermisches Siliziumoxid als Deckschicht DS eingesetzt, so muss die Ätzrate so gewählt werden, dass einerseits das Siliziumoxid auf der Vorderseite der Absorberschicht AS (ca. 200 nm) noch erhalten bleibt, andererseits aber das Siliziumoxid an der Rückseite der Absorberschicht AS (ca. 5 nm) vollständig entfernt wird. Durch den HF-Dip wird nicht nur das rückseitige Siliziumoxid entfernt, sondern zudem die Siliziumoberfläche über sich ausbildende Si-H Bindungen gut passiviert.
Verfahrensschritt G
Optionales, ganzflächiges Abscheiden einer ultradünnen Pufferschicht PS,, im gewählten Ausführungsbeispiel intrinsisches, hydrogeniertes, amorphes Silizium i a-Si:H, beispielsweise durch plasmagestützte Gasphasenabscheidung (PECVD). Dabei dient die Pufferschicht PS der Passivierung der Grenzfläche (pn-Übergang) zwischen Absorberschicht AS und Emitterschicht ES und verringert dadurch die Rekombination. Für diesen Zweck kann sie in geringstmöglicher Schichtdicke, beispielsweise 5 nm, aufgebracht werden.
Verfahrensschritt IV
Ganzflächiges Abscheiden der dünnen Emitterschicht ES beispielsweise durch plasmagestützte Gasphasen-Abscheidung (PECVD) eines Dünnschicht-Emitters aus n-dotiertem, hydrogeniertem amorphen Silizium, n a-Si:H. Eine Abscheidung durch Sputtern oder thermisches Verdampfen ist ebenfalls möglich. Da sich die dünne (minimal ca. 5 nm, um noch einen pn-Übergang aufspannen zu können) Emitterschicht ES beim Aufbau einer Rückseitenkontaktierung auf der lichtabgewandten Oberseite OSA der Absorberschicht AS befindet, kann sie auch ohne nennenswerte Rekombinationsverluste dicker abgeschieden werden (z.B. 50 nm statt 5 nm), und so eine vollständige Bedeckung der Absorberschicht AS trotz der vergleichsweise großen Dimensionen des Kontaktgitters KG (ca. 1 μm hoch) gewährleisten. Zu der Absorberschicht AS spannt die Emitterschicht ES einen Ladungsträger trennenden pn-Übergang auf. Dabei hat die Emitterschicht ES eine solche maximale Schichtstärke, das die Ladungsträger auf die absorberschichtabgewandte Oberseite OSE der Emitterschicht ES gelangen können.
Verfahrensschritt V
Aufbringen des zweiten Kontaktierungssystems in Form einer flächigen Kontaktschicht KS auf die absorberschichtabgewandte Rückseite der Emitterschicht ES. Beispielsweise kann eine ganzflächige metallische Kontaktierung durch thermische Verdampfung von Aluminium erfolgen.
Verfahrensschritt VI
Kontaktierung des Kontaktgitters KG und der Kontaktschicht KS. Durch die freie Zugänglichkeit der Kontaktschicht KS kann diese ohne weiteres an beliebiger Stelle elektrisch kontaktiert werden. Das Kontaktgitter KG kann direkt kontaktiert werden, indem beim Abscheiden der Emitterschicht ES gemäß Verfahrensschritt IV und beim Aufdampfen der rückwärtigen Kontaktschicht KS jeweils durch Anwendung einer Maske ein kleiner Bereich oberhalb des Kontaktgitters KG ausgespart wird. In diesem Bereich wird anschließend die Isolationsschicht IS entfernt (z.B. durch mechanische Zerstörung, wie z.B. Ankratzen der 30 nm dünnen Aluminiumoxidschicht), sodass eine elektrische Zuführung an das Kontaktgitter KG herangeführt werden kann.
Alternativ kann das Kontaktgitter KG einen kammartigen Steg ST an der Außenseite der Solarzelle aufweisen, der bei der Erzeugung der Emitterschicht ES und der Kontaktschicht KS zur Hälfte abgedeckt ist. Dieser Steg ST kann dann nach Entfernen der Isolationsschicht IS elektrisch kontaktiert werden (in der 1 alternativ in Verfahrensschritt VI rechts dargestellt).
In der 2 ist die fertig prozessierte Solarzelle SZ im Querschnitt (quer zu den Kontaktfingern des Kontaktgitters KG) (Lichteinfall durch parallele Pfeile dargestellt) mit einer Rückseitenkontaktierung dargestellt. Auf der lichtzugewandten Oberseite OSZ der Absorberschicht AS ist die doppeltfunktionelle Deckschicht DS angeordnet. Auf der lichtabgewandten Oberseite OSA der Absorberschicht AS befindet sich das Kontaktgitter KG zum Sammeln der Majoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht AS. Unterhalb des Kontaktgitters KG sind in der Absorberschicht AS Ladungsträger rückstreuende Felder BSF ausgebildet, die die Rekombinationsverluste verringern. Das Kontaktgitter KG ist mit einer elektrischen Isolationsschicht IS überzogen, sodass kein Kurzschluss zu der nachfolgenden ganzflächigen Emitterschicht ES auftreten kann. Zwischen Absorberschicht AS und Emitterschicht ES kann optional eine Pufferschicht PS angeordnet sein. Zwischen der Emitterschicht ES und der Absorberschicht AS bildet sich der Ladungsträger trennende pn-Übergang aus, die Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht werden in die Emitterschicht getrieben. Auf der Emitterschicht ES ist ganzflächig die Kontaktschicht KS zum Sammeln der Minoritäts-Ladungsträger aus der Emitterschicht ES aufgebracht. Die beispielsweise metallische Kontaktschicht KS dient gleichzeitig als Reflektorschicht RS für die nicht absorbierten Photonen. Die elektrische Kontaktierung (Spannung V) erfolgt zwischen der frei zugänglichen Kontaktschicht KS und einer freigelegten Stelle des Kontaktgitters KG.
In der 3 ist eine fertig prozessierte Solarzelle SZ im Querschnitt (quer zu den Kontaktfingern des Kontaktgitters KG) (Lichteinfall durch parallele Pfeile dargestellt) mit einer Vorderseitenkontaktierung dargestellt. Auf der lichtzugewandten Oberseite OSZ der Absorberschicht AS ist hierbei die flächige Kontaktschicht KS in Form einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht TCO ausgebildet. Der darunter liegende Aufbau entspricht dem Aufbau der Solarzelle SZ mit Rückseitenkontaktierung gemäß 2. Im Unterschied dazu ist bei der vorderseitig kontaktierten Solarzelle SZ gemäß 3 auf der lichtzugewandten Oberseite OSK der transparenten Kontaktschicht KS ein optionales metallisches Kontaktelement KE angeordnet. Dieses verbessert die Sammlung und Ableitung der Ladungsträger, da eine transparent-leitfähige Oxidschicht als Kontaktschicht KS in Abhängigkeit von ihrer Schichtdicke in ihrer elektrischen Leitfähigkeit nicht so effektiv ist wie eine metallische Kontaktschicht KS. Unter Verwendung eines Kontaktelements KE kann die zur Stromabführung notwendige Schichtdicke der TCO-Kontaktschicht KS reduziert werden. Zur Minimierung der Beschattung ist das Kontaktelement KE kongruent zum Kontaktgitter KG aufgebaut und angeordnet. Es kann beispielsweise aus Chrom/Silber bestehen und wird zusammen mit der Kontaktschicht KS elektrisch kontaktiert.
Weiterhin im Unterschied zu der rückseitig kontaktierten Solarzelle SZ ist eine Passivierungsschicht PAS auf der lichtabgewandten Oberseite OSA der Absorberschicht AS bei der vorderseitig kontaktierten Solarzelle SZ nicht erforderlich, wenn das Material der Absorberschicht AS eine geringere elektronische Qualität aufweist. Auf der lichtabgewandten Oberseite OSA der Absorberschicht AS kann daher als rückseitige Deckschicht DS beispielsweise eine Saatschicht SS zur optimierten Abscheidung der Absorberschicht AS vorgesehen sein. Die Saatschicht SS kann zuvor auf ein Substrat SU aufgebracht worden sein. Zudem kann auch neben einer Passivierungsschicht PAS bzw. einer Saatschicht SS auch eine zusätzliche die nicht absorbierten Photonen reflektierende Reflexionsschicht RS als Deckschicht DS vorgesehen sein.
Die 4 zeigt eine beispielhafte Verschaltung mehrerer einseitig kontaktierter Solarzellen SZ in einem gemeinsamen Solarzellen-Modul SZM (vereinfacht in der rückseitigen, lichtabgewandten Draufsicht bei rückseitiger Kontaktierung, die ganzflächige Kontaktschicht KS liegt über dem Kontaktgitter KG, wobei jedoch der Steg ST des Kontaktgitters KG nicht von der Kontaktschicht KS bedeckt ist). Das vorgeschlagene Konzept der einseitig kontaktierten Solarzelle SZ erlaubt nämlich eine technologisch sehr einfache Serien/Parallel – Verschaltung der einzelnen Solarzellen SZ zu einem Solarzellen-Modul SZM. Diese Verschaltung ist insbesondere im Fall der Verwendung von kristallinen Silizium-Wafern als Absorberschicht AS für die Solarzellen SZ sinnvoll, da der Prozess der Serien und Parallelverschaltung durch die einseitige Rückseitenkontaktierung erheblich vereinfacht werden kann. Wird der Steg ST des Kontaktgitters KG (vergleiche 1, Alternative im Verfahrensschritt VI) an den Rand eines quadratischen c-Si-Wafers als Absorberschicht AS gelegt, dann können die die Emitterschicht ES bedeckende Kontaktschicht KS und der Steg ST des Kontaktgitters KG auf einfache Weise durch direkte Kontaktierung KT, z.B. mit Hilfe eines Kupferbandes KB, in Serie SV oder parallel PV verschaltet werden.
Bei der in 4 gezeigten Verschaltung handelt es sich um eine Verschaltung mit einseitig rückseitig kontaktierten Solarzellen SZ. Bei einer Verschaltung von einseitig vorderseitig kontaktierten Solarzellen SZ ergibt sich einer geringer Unterschied im Aufbau dadurch, dass die Stege ST des Kontaktgitters KG und des Kontaktelements KE nicht übereinander liegen, sondern einander gegenüber liegen.

ARS: Antireflexionsschicht
AS: Absorberschicht
BSF: Ladungsträger rückstreuendes Feld
DS: Deckschicht
ES: Emitterschicht
HKS: Heterokontaktsolarzelle
IS: elektrisch nicht leitende Isolationsschicht
KB: Kupferband
KE: Kontaktelement
KG: Kontaktgitter
KS: Kontaktschicht
KT: Kontaktierung
OSA: lichtabgewandte Oberseite von AS
OSE: absorberschichtabgewandte Oberseite von ES
OSK: lichtzugewandte Oberseite von KS
OSZ: lichtzugewandte Oberseite von AS
OX: elektrisch isolierende Oxidschicht
PAS: Passivierungsschicht
pn: pn-Übergang
PS: Pufferschicht
PV: Parallelverschaltung
RS: Reflexionsschicht
SS: Saatschicht
ST: Steg
SU: Substrat
SV: Serienverschaltung
SZM: Solarzellen-Modul
SZ: Solarzelle
TCO: transparente leitfähige Oxidschicht
V: Spannung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein erstes Kontaktierungssystem und die Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein zweites Kontaktierungssystem gesammelt und abgeleitet werden, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: I.Bereitstellen der Absorberschicht (AS), II. Aufbringen des ersten Kontaktierungssystems in Form eines bezüglich der Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger flächenoptimierten Kontaktgitters (KG) auf eine Oberseite der Absorberschicht (AS), III. Erzeugen einer auch Ladungsträgertunneln verhindernden, elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht (IS) auf dem Kontaktgitter (KG) auf seiner freien Oberfläche, IV. Abscheiden der Emitterschicht (ES) in einer Schichtdicke, durch die Minoritäts-Ladungsträger auf die absorberschichtabgewandte Oberseite (OSE) der Emitterschicht (ES) gelangen können, und aus einem Halbleitermaterial, das zur Absorberschicht (AS) einen mit einer maximalen Grenzflächen-Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 10⁵ Rekombinationen/cm²s passivierenden pn-Übergang (pn) aufspannt, V. Aufbringen des zweiten Kontaktierungssystems in Form einer flächigen Kontaktschicht (KS) auf die absorberschichtabgewandte Oberseite (OSE) der Emitterschicht (ES) und VI. elektrisches Kontaktieren (V) des Kontaktgitters (KG) und der Kontaktschicht (KS).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt II auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS) durchgeführt und ein weiterer Verfahrensschritt A nach Verfahrensschritt I, IV oder V vorgesehen ist: A. Erzeugen einer transparenten Deckschicht (DS) auf der lichtzugewandten Oberseite (OSZ) der Absorberschicht (AS).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) und als Antireflexschicht (ARS) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt II auf der lichtzugewandten Oberseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) unter transparenter Ausführung der Kontaktschicht (KS) durchgeführt und in Abhängigkeit von der elektronischen Qualität der Absorberschicht ein weiterer Verfahrensschritt B vor oder nach dem Verfahrensschritt I vorgesehen ist: Erzeugen einer oder mehrerer Deckschichten (DS) auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) oder als Reflexionsschicht (RS) oder als Saatschicht (SS) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt C nach dem Verfahrensschritt V vorgesehen ist: C. Aufbringen eines zum Kontaktgitter (KG) kongruent aufgebauten und angeordneten Kontaktelements (KE) auf die lichtzugewandte Oberseite (OSK) der transparenten Kontaktschicht (KS), wobei in Verfahrensschritt VI das Kontaktelement (KE) zusammen mit der Kontaktschicht (KS) elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt II durch selektives Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials durch thermisches Verdampfen unter Zuhilfenahme einer Maske, durch Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder durch Photolithographie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt III durch selektives Aufbringen einer elektrisch isolierenden Masse auf das Kontaktgitter (KG) auf seiner freien Oberfläche durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung unter Zuhilfenahme einer Maske, durch Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder durch Photolithographie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt III durch thermisches, durch nasschemisches oder durch elektrochemisches Aufwachsen einer Oxidschicht (OX, Verfahrensschritt D) auf dem Kontaktgitter (KG) und den vom Kontaktgitter (KG) unbedeckten Stellen auf der Absorberschicht (AS) und anschließendes selektives Ätzen der Oxidschicht (OX, Verfahrensschritt E) auf den vom Kontaktgitter (KG) unbedeckten Stellen auf der Absorberschicht (AS) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt VI durch Aussparen eines Anschlussbereiches auf dem Kontaktgitter (KG) während der in Verfahrensschritt V erfolgenden Abscheidung der Emitterschicht (ES) und Freilegen des Anschlussbereiches durch Entfernen der nach Verfahrensschritt IV erzeugten Isolationsschicht (IS) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt VI durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt F nach dem Verfahrensschritt II vorgesehen ist: F. Eintempern des leitenden Materials des Kontaktgitters (KG) in die Absorberschicht (AS).
Verfahren nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verfahrensschritt F zusammen mit dem Verfahrensschritt III für das thermische Aufwachsen einer Oxidschicht (OX) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt G vor dem Verfahrensschritt IV vorgesehen ist: G. Abscheiden einer Pufferschicht (PS) in geringer Schichtdicke.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verfahrensschritt G durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mono-, multi- oder polykristallines oder rekristallisiertes Silizium für die Absorberschicht (AS), amorphes, hydrogenisiertes Silizium für die Pufferschicht (PS) und die Emitterschicht (ES), Aluminium für das Kontaktgitter (KG), und Aluminium für die Kontaktschicht (KS) bei Durchführung des Verfahrensschritts II auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS) oder ein transparent leitfähiges Oxid (TCO) bei einer Durchführung des Verfahrensschritts II auf der lichtzugewandten Oberseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) eingesetzt wird.
Einseitig kontaktierte Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht von einem ersten Kontaktierungssystem und die Minoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht von einem zweiten Kontaktierungssystem gesammelt und abgeleitet werden,, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kontaktierungssystem ein bezüglich der Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger flächenoptimiertes und gegenüber der Emitterschicht (ES) mittels einer auch Ladungsträgertunneln verhindernden Isolationsschicht (IS) elektrisch isoliertes Kontaktgitter (KG) zwischen der Absorberschicht (AS) und der Emitterschicht (ES) und als zweites Kontaktierungssystem eine flächige Kontaktschicht (KS) auf der absorberschichtabgewandten Oberseite (OSE) der Emitterschicht (ES) angeordnet ist, wobei die Emitterschicht (ES) aus einem Halbleitermaterial besteht, das zur Absorberschicht (AS) einen mit einer maximalen Grenzflächen-Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 10⁵ Rekombinationen/cm²s passivierenden pn-Übergang (pn) aufspannt.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgitter (KG) auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS) und eine transparente Deckschicht (DS) auf der lichtzugewandten Oberseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) und als Antireflexschicht (ARS) ausgebildet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgitter (KG) auf der lichtzugewandten Oberseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist, dass die Kontaktschicht (KS) transparent ausgebildet ist und dass in Abhängigkeit von der elektronischen Qualität der Absorberschicht (AS) eine Deckschicht (DS) auf der lichtabgewandten Oberseite (OSA) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der lichtzugewandten Oberseite (OSK) der transparenten Kontaktschicht (KS) ein zum Kontaktgitter (KG) kongruent aufgebautes und angeordnetes Kontaktelement (KE) vorgesehen ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) oder als Reflexionsschicht (RS) oder als Saatschicht (SS) ausgebildet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Randseite der Solarzelle (SZ) ein Steg (ST) zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktgitters (KG) angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (ST) zur elektrischen Serien- oder Parallelverschaltung (SV, PV) mehrerer Solarzellen (SZ) in einem Solarzellen-Modul (SZM) ausgebildet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung in der Emitterschicht (ES) und der Isolationsschichtschicht (IS) zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktgitters (KG) angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Kontaktgitters (KG) ein die Minoritäts-Ladungsträger rückstreuendes Oberflächenfeld (BSF) angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absorberschicht (AS) und der Emitterschicht (ES) eine Pufferschicht (PS) mit geringer Schichtdicke angeordnet ist.
Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Materialien eingesetzt sind: Absorberschicht (AS): kristallines mono-, multi- oder polykristallines oder rekristallisiertes) Silizium mit n- oder p-typ Dotierung, Emitterschicht (ES): amorphes Silizium mit Wasserstoffanreicherung und mit zur Absorberschicht (AS) entgegen gesetzter p- oder n-typ Dotierung, Pufferschicht (PS): amorphes Silizium mit Wasserstoffanreicherung ohne Dotierung, Isolationsschicht (IS): Aluminiumoxid, Deckschicht (DS): Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, Kontaktgitter (KG): Aluminium, Kontaktschicht (KS): Aluminium oder transparentes leitfähiges Oxid (TCO) Kontaktelement (KE): Chrom oder Silber.