DE102006044545A1 - Dünnschicht-Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Eine Dünnschicht-Solarzelle umfasst eine Silizium-Dünnschicht (2) mit einer freiliegenden Rückseite (2a) und einer Vorderseite (2b), p-dotierte Bereiche (3) und n-dotierte Bereiche (4) sowie Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d) in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten Bereichen (3) bzw. den n-dotierten Bereichen (4) auf der Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2) und eine passivierende Schicht (6) auf der Vorderseite (2b) der Silizium-Dünnschicht (2).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Dünnschicht-Solarzellen mit einer mono-kristallinen Siliziumschicht, wie z.B. aus der US 6 555 443 bekannt, führen bekannterweise zu einem sehr effizienten Gebrauch von Silizium, da nur eine vergleichsweise geringe Menge Silizium benötigt wird, um die aktive Siliziumschicht herzustellen, was z.B. durch epitakische Abscheidung von Silizium auf einem Substrat bei hohen Temperaturen geschehen kann. Gemäß einer Methode, die aus der EP 0 965 664 A1 bekannt ist, wird eine Siliziumdünnschicht epitaktisch auf einer Lage porösen Siliziums an der Oberfläche eines Siliziumsubstrats gezüchtet. Nachdem weitere Elemente, wie z.B. Elektroden, welche für eine funktionsfähige Solarzelle benötigt werden, auf der freiliegenden Seite der Siliziumdünnschicht angebracht worden sind, und nachdem die Dünnschicht-Struktur mit einem Träger, beispielsweise aus Glas oder Plastik, verbunden worden ist, wird die Siliziumdünnschicht vom Substrat abgetrennt, beispielsweise abgerissen oder abgezogen. Danach wird die zweite Seite der Siliziumdünnschicht, welche zunächst mit dem Siliziumsubstrat verbunden war, weiterbearbeitet, um die Dünnschicht-Solarzelle fertigzustellen. Solarzellen, welche nach dieser oder ähnlichen Methoden hergestellt werden, haben die an sich bekannten Eigenschaften von Dünnschicht-Solarzellen gemäß dem Stand der Technik mit Elektroden auf der Rückseite und Vorderseite. Der Vorteil besteht in der geringen Menge Siliziums, welches zu ihrer Herstellung benötigt wird.
  • Die reduzierte Dicke der aktiven Schicht von solchen Solarzellen, d.h. die Silizium-Dünnschicht, führt jedoch zu einem gewissen Grad zu einem verminderten Wirkungsgrad. Andererseits, falls die Dicke der aktiven Schicht vergrößert wird, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen, erhöht sich auch die Menge des Siliziums, welche zur Herstellung derartiger Solarzellen benötigt wird, entgegen dem Ziel, die Menge des Siliziums, welche zur Herstellung einer Solarzelle benötigt wird, zu reduzieren.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht-Solarzelle der oben genannten Art zu schaffen, welche einen höheren Wirkungsgrad besitzt ohne jedoch eine größere Menge Siliziums pro Solarzelle zu benötigen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Dünnschicht-Solarzelle der oben genannten Art zu schaffen, welche einen höheren Wirkungsgrad besitzt ohne jedoch eine größere Menge Siliziums je Solarzelle zu benötigen.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen zu schaffen, welches die folgenden Schritte umfasst:
    • – Bereitstellen eines Silizium-Substrats mit einer Trägeroberfläche, wobei das Silizium-Substrat für einige Herstellungsschritte als Träger für eine Silizium-Dünnschicht dient,
    • – epitaktisches Abscheiden einer Silizium-Dünnschicht auf der Trägeroberfläche des Silizum-Substrats,
    • – Bereitstellen von p-dotierten und n-dotierten Bereichen auf der freiliegenden Rückseite der Silizium-Dünnschicht,
    • – Bereitstellen von Elektroden in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten bzw. n-dotierten Bereichen auf der freiliegenden Rückseite der Silizium-Dünnschicht,
    • – Trennen der Silizium-Dünnschicht zusammen mit den p-dotierten und n-dotierten Bereichen und den Elektroden von dem Silizum-Substrat sowie
    • – Bereitstellen einer passivierenden Schicht auf der Vorderseite der Silizium-Dünnschicht, welche der Rückseite mit den Elektroden gegenüberliegt.
  • Der Kern der Erfindung besteht außerdem darin, eine Dünnschicht-Solarzelle zu schaffen, welche aufweist:
    • – eine Silizium-Dünnschicht mit einer Vorderseite und einer Rückseite,
    • – p-dotierte und n-dotierte Bereiche auf der Rückseite der Silizium-Dünnschicht,
    • – Elektroden in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten bzw. n-dotierten Bereichen auf der Rückseite der Silizium-Dünnschicht sowie
    • – eine passivierende Schicht auf der Vorderseite der Silizium-Dünnschicht.
  • Dünnschicht-Solarzellen, welche gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden, haben keine Elektroden auf der Vorderseite der Silizium-Dünnschicht. Da die Vorderseite die Lichteinfallseite der Solarzelle bildet, wird dadurch der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht, ohne die Menge des Siliziums, welches zur Herstellung einer Solarzelle benötigt wird, zu vergrößern.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zusätzliche Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
  • 1a bis f zeigt die Herstellungsschritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2a bis i zeigt die Herstellungsschritte eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1a bis 1f ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht-Solarzelle beschrieben.
  • Wie in 1a gezeigt, wird ein monokristallines Silizium-Substrat 1, z.B. ein Silizium-Wafer bereitgestellt, welches eine Träger-Oberfläche 1a aufweist, auf welcher eine Solarzelle aufgebaut werden kann, so dass die Solarzelle vom Substrat 1 getragen wird.
  • Wie in 1b gezeigt, wird eine Silizium-Dünnschicht 2 auf das Silizium-Substrat 1 aufgebracht, indem eine monokristalline Siliziumschicht epitaktisch gezüchtet wird, z.B. durch epitaktische Abscheidung bei hohen Temperaturen. Das im in 1b gezeigten Verfahrensschritt abgeschiedene Silizium weist vorzugsweise eine Grunddotierung auf. Es ist einem Fachmann jedoch klar, dass eine geeignete Dotierung der Silizium-Dünnschicht 2 auch noch nach dem Züchten der Silizum-Dünnschicht 2 möglich ist. Die Silizium-Dünnschicht 2 wird vorzugsweise derart gezüchtet, dass sie eine Dicke im Bereich von 25 μm bis 75 μm hat. Die Silizium-Dünnschicht 2 weist eine freiliegende Rückseite 2a und eine Vorderseite 2b auf.
  • Wie in 1c gezeigt, werden p-dotierte Bereiche 3 und n-dotierte Bereiche 4 auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 ausgebildet. Die in 1c gezeigten p-dotierten Bereiche 3 und n-dotierten Bereiche 4 dienen lediglich als Beispiel für p/n-dotierte Bereiche einer Solarzelle, welche gemäß dem jeweils gewünschten Solarzellen-Design wie benötigt angeordnet werden.
  • In einem weiteren, in 1d gezeigten Verfahrensschritt werden Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 ausgebildet, welche in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten Bereichen 3 bzw. den n-dotierten Bereichen 4 stehen. Auch die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d in 1 dienen lediglich als Beispiel für Elektroden, welche für eine tatsächliche Solarzelle benötigt werden. Die tatsächliche Anzahl, Größe und Anordnung solcher Elektroden kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Solarzellen-Design für jede Solarzelle unterschiedlich sein.
  • In einem weiteren, in 1e gezeigten Verfahrensschritt wird die Silizium-Dünnschicht 2 vom Silizium-Substrat 1 gelöst, so dass die Vorderseite 2b der Silizium-Dünnschicht 2, die während der Verfahrensschritte 1b bis 1d mit dem Silizium-Substrat 1 verbunden war, nun ebenfalls freiliegt.
  • Gem. dem in 1f gezeigten Verfahrensschritt wird eine passivierende Schicht 6 auf die Vorderseite 2b der Silizium-Dünnschicht 2 aufgebracht. Damit ist eine Grund-Solarzelle geschaffen, die in sogenannten Solarmodulen, welche je nach Anwendung der Solarzelle weitere Elektroden, Trägerschichten und/oder Schutzschichten etc. enthalten können, verwendet werden kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die oben aufgeführten Verfahrensschritte, p/n-dotierte Bereiche sowie Elektroden auf die freiliegende Seite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 aufzubringen, Zwischenschritte wie z.B. Maskieren, Ätzen, Diffusion, Druck und Einbrennschritte erfordern kann, um die p-dotierten Bereiche 3, die n-dotierten Bereiche 4 und die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d tatsächlich auszubilden. Da jedoch all diese Verfahensschritte dem Fachmann bekannt sind, wird auf deren detaillierte Beschreibung hier verzichtet.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2a bis 2i ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht-Solarzelle beschrieben. Das zweite Verfahren umfasst ebenfalls die grundlegenden Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle, weist jedoch weitere vorteilhafte Verfahrensschritte auf, welche es zu einer bevorzugten Ausführungsform machen.
  • Wie in 2a gezeigt, wird ein Silizium-Substrat 1 bereitgestellt, das im weiteren Herstellungsverfahren der Solarzelle als Träger für den Aufbau der Solarzelle dient. Auf einer Träger-Oberfläche 1a des Silizium-Substrats 1 wird eine poröse Silizium-Keimschicht 7 ausgebildet, welche, wie in 2b gezeigt, die Trägeroberfläche 1a des Silizium-Substrats 1 bildet. Die poröse Silizium-Keimschicht 7 hat vorzugsweise eine geschlossene Ober fläche, auf welcher Silizium in einem nachfolgenden Verfahrensschritt abgeschieden wird.
  • In einem in 2c gezeigten Verfahrensschritt wird eine Silizium-Dünnschicht 2 auf der Trägeroberfläche 1a des Silizium-Substrats 1 abgeschieden, indem eine monokristalline Siliziumschicht epitaktisch, beispielsweise mittels epitaktischer Abscheidung bei hohen Temperaturen, gezüchtet wird. Das derart abgeschiedenen Silizium weist vorzugsweise eine Grunddotierung auf. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass eine geeignete Dotierung der Silizium-Dünnschicht 2 auch nach der Züchtung der Silizium-Dünnschicht 2 erreicht werden kann. Vorzugsweise wird die Silizium-Dünnschicht 2 derart gezüchtet, dass sie eine Dicke im Bereich von 25 μm bis 75 μm aufweist. Die Silizium-Dünnschicht 2 hat eine freiliegende Rückseite 2a und eine Vorderseite 2b.
  • In einem weiteren, in 2d gezeigten Verfahrensschritt, werden p-dotierte Bereiche 3 und n-dotierte Bereiche 4 auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 ausgebildet. Wie schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, dienen diese p/n-dotierten Bereiche 3, 4 lediglich als Beispiel für entsprechende Bereiche in einer tatsächlichen Solarzelle.
  • In einem weiteren, in 2e gezeigten Verfahrensschritt werden Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d, welche in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten Bereichen 3 bzw. den n-dotierten Bereichen 4 stehen, auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht gebildet. Wie schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, dienen auch diese Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d lediglich als Beispiel für Elektroden einer tatsächlichen Solarzelle.
  • In einem weiteren, in 2f dargestellten Verfahrensschritt wird eine klebende Schicht 8 auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 angebracht, so dass ein Träger 9 mit der Struktur, welche die Silizium-Dünnschicht 2, die p-dotierten Bereiche 3, die n-dotierten Bereiche 4 und die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d umfasst, verbunden werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass das Anbringen einer klebenden Schicht 8 und eines Trägers 9 in einem entsprechenden Verfahrensschritt auch im unter Bezugnahme auf die 1a bis 1f geschilderten Verfahren vorgesehen sein kann. Da der Träger 9 eine größere Stärke und Stabilität aufweist und da die Silizium-Dünnschicht 2, die p-dotierten Bereiche 3, die n-dotierten Bereiche 4 und die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d mittels der klebenden Schicht 8 mit dem Träger 9 verbunden sind, wird die weitere Verarbeitung und Handhabung der Dünnschicht-Solarzelle vereinfacht.
  • Da der Träger 9 die Anordnung, welche die Silizium-Dünnschicht 2 umfasst, schützt, gestaltet sich der in 2g gezeigte Verfahrensschritt des Abtrennens der Silizium-Dünnschicht 2 vom Silizium-Substrat 1 einfacher. Der Träger 9 ermöglicht nämlich das Abreißen oder Abziehen der Baugruppe, welche mittels der klebenden Schicht 8 mit dem Träger 9 verbunden ist. Außerdem, da die poröse Silizium-Keimschicht 7 wie im in 2b dargestellten Verfahrensschritt auf das Silizium-Substrat 1 aufgebracht worden war, löst sich die Silizium-Dünnschicht 2 vom Silizium-Substrat 1 auf Höhe der porösen Silizium-Keimschicht 7, so dass eine teilweise poröse Schicht 7a an der Oberfläche der abgetrennten Silizium-Dünnschicht 2 zurückbleibt. Eine weitere teilweise poröse Schicht 7b bleibt auch auf dem Silizium-Substrat 1 zurück.
  • Gemäß dem in 2h dargestellten Verfahrensschritt wird die teilweise poröse Schicht 7a von der Oberfläche der Silizium-Dünnschicht 2 entfernt, so dass die Vorderseite 2b der Silizium-Dünnschicht 2 freigelegt wird. Dem Fachmann sind geeignete mechanische oder chemische Verfahren, beispielsweise Läppen oder Ätzen, bekannt, um die teilweise poröse Silizium-Schicht 7a zu entfernen.
  • In einem weiteren, in 2i gezeigten Verfahrensschritt, wird eine passivierende Schicht 6 auf die freigelegte Vorderseite 2b der Silizium-Dünnschicht 2 aufgetragen, so dass diese abgedeckt ist. Damit ist eine Grund-Solarzelle geschaffen, welche in sogenannten Solarmodulen, welche je nach der spezifischen Anwendung der Solarzelle außerdem Elektroden, Trägerschichten und/oder Schutzschichten etc. aufweisen, eingesetzt werden kann.
  • Wie schon im Zusammenhang mit den 1a bis 1f sei die 2a bis 2i betreffend darauf hingewiesen, dass die p-dotierten Bereiche 3, n-dotierten Bereiche 4 und Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d auf der freiliegenden Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 stellvertretend für tatsächliche p-dotierte Bereiche, n-dotierte Bereiche und Elektroden einer tatsächlichen Solarzelle beschrieben sind.
  • Die Anzahl, Größe und Anordnung der p-dotierten Bereiche 3, der n-dotierten Bereiche 4 und der Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d sowie weiterer Elemente der Solarzelle werden je nach dem tatsächlichen Solarzellen-Design bestimmt. Außerdem können weitere Zwischenschritte, beispielsweise Maskieren, Ätzen, Abscheiden, Druck, Einbrennen etc., notwendig sein, um die p-dotierten Bereiche 3, die n-dotierten Bereiche 4 und die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d auszubilden. Die jeweiligen Verfahrensschritte sind einem Fachmann wohlbekannt und können in Abhängigkeit von dem tatsächlich erwünschten Design der Solarzelle ausgewählt werden.
  • Entscheidendes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Elektroden 5a, 5b, 5c und 5d ausschließlich auf der Rückseite 2a der Silizium-Dünnschicht 2 vorgesehen sind, so dass die später lichtempfangende Vorderseite 2b der Solarzelle frei von solchen Bauteilen ist, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht-Solarzelle umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats (1) mit einer Trägeroberfläche (1a), b) epitaktisches Züchten einer Silizium-Dünnschicht (2) mit einer freiliegenden Rückseite (2a) und einer Vorderseite (2b) auf der Trägeroberfläche (1a) des Silizium-Substrats (1), c) Anbringen von p-dotierten Bereichen (3) und n-dotierten Bereichen (4) auf der freiliegenden Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2), d) Bereitstellen von Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d) in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten Bereichen (3) und den n-dotierten Bereichen (4) auf der freiliegenden Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2), e) Ablösen der Silizum-Dünnschicht (2), welche die p-dotierten Bereiche (3), die n-dotierten Bereiche (4) und die Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d) umfasst, von dem Silizium-Substrat (1) sowie f) Aufbringen einer passivierenden Schicht (6) auf die Vorderseite (2b) der Silizium-Dünnschicht (2).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Substrat (1) gezüchtete Silizium-Dünnschicht (2) eine Grunddotierung aufweist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium-Substrat (1) ein monokristallines Silizium-Substrat ist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Dünnschicht (2) eine Dicke im Bereich von 25 μm bis 75 μm hat.
  5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist, eine poröse Silizium-Keimschicht (7) auf einer Oberfläche des Silizium-Substrats (1) anzubringen, wobei die poröse Silizium-Keimschicht (7) eine Träger-Oberfläche (1a) bildet, auf welcher die Silizium-Dünnschicht (2) epitaktisch gezüchtet wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Silizium-Keimschicht (7) eine im Wesentlichen geschlossene Oberfläche aufweist, welche als Träger-Oberfläche (1a) für das Silizium-Substrat (1) dient.
  7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist, vor dem Ablösen der Silizium-Dünnschicht (2), welche die p-dotierten Bereiche (3), die n-dotierten Bereiche (4) und die Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d) umfasst, von dem Silizum-Substrat (1) einen Träger (9) mit der freiliegenden Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2) zu verbinden.
  8. Dünnschicht-Solarzelle umfassend: a) eine Silizium-Dünnschicht (2) mit einer freiliegenden Rückseite (2a) und einer Vorderseite (2b), b) p-dotierte Bereichen (3) und n-dotierte Bereichen (4) auf der Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2), c) Elektroden (5a, 5b, 5c, 5d) auf der Rückseite (2a) der Silizium-Dünnschicht (2) in elektrischem Kontakt mit den p-dotierten Bereichen (3) bzw. den n-dotierten Bereichen (4), d) eine passivierende Schicht (6) auf der Vorderseite (2b) der Silizium-Dünnschicht (2).
  9. Dünnschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Dünnschicht (2) eine Dicke im Bereich von 25 μm bis 75 μm hat.
  10. Dünnschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (9) vorgesehen ist, mit welchem die Silizium-Dünnschicht (2) verbunden ist.
  11. Dünnschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine klebende Schicht (8) vorgesehen ist, welche die Silizium-Dünnschicht (2) mit dem Träger (9) verbindet.
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