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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rückkontaktsolarzelle mit länglichen,
ineinander verschachtelten Emitter- und Basisbereichen an der Rückseite
sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Rückkontaktsolarzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Konventionelle
Solarzellen haben einen vorderseitigen Kontakt, das heißt einen
Kontakt, der auf einer dem Licht zugewandten Oberfläche der
Solarzelle angeordnet ist, und einen rückseitigen Kontakt an einer
dem Licht abgewandten Oberfläche
der Solarzelle. In diesen konventionellen Solarzellen ist der größte Volumenanteil
eines das Licht absorbierenden Halbleitersubstrats von eben dem
Halbleitertyp (zum Beispiel p-Typ), der vom rückseitigen Kontakt kontaktiert
wird. Dieser Volumenanteil wird üblicherweise
als Basis bezeichnet und die rückseitigen
Kontakte werden daher üblicherweise
als Basiskontakte bezeichnet. Im Bereich der Oberfläche der
Vorderseite des Halbleitersubstrats befindet sich eine dünne Schicht
vom entgegengesetzten Halbleitertyp (zum Beispiel n-Typ). Diese
Schicht wird RAK:sis üblicherweise
als Emitter bezeichnet und die sie kontaktierenden Kontakte als
Emitterkontakte.
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Bei
solchen herkömmlichen
Solarzellen liegt somit der für
die Stromsammlung entscheidende pn-Übergang dicht unter der vorderseitigen
Oberfläche
der Solarzelle. Diese Position des pn-Übergangs ist
insbesondere bei der Verwendung von Halbleitermaterial schlechter
bis mittlerer Qualität
für eine
effiziente Stromsammlung vorteilhaft, da auf der dem Licht zugewandten
Seite der Solarzelle die höchste Generationsrate
von Ladungsträgerpaaren
vorliegt und somit die meisten Licht-generierten (Minoritäts-)Ladungsträger nur
eine kurze Distanz zum pn-Übergang
zurücklegen
müssen.
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Die
an der Vorderseite der Solarzelle angeordneten Emitterkontakte führen jedoch
aufgrund der mit ihnen verbundenen teilweisen Abschattung der Vorderseite
zu einem Wirkungsgradverlust. Um den Wirkungsgrad der Solarzelle
zu steigern, ist es grundsätzlich
vorteilhaft, sowohl die Basiskontakte als auch die Emitterkontakte
an der Rückseite
der Solarzelle anzuordnen. Zu diesem Zweck müssen an der Rückseite
der Solarzelle entsprechende Emitterbereiche ausgebildet werden.
Eine Solarzelle, bei der sich an der im Einsatz lichtabgewandten
Seite sowohl Emitterbereiche als auch Basisbereiche befinden und
bei der sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte an
der Rückseite
ausgebildet sind, wird als Rückkontaktsolarzelle
bezeichnet.
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Bei
solchen Rückkontaktsolarzellen,
deren Strom-sammelnder pn-Übergang
zumindest teilweise an der Rückseite
der Solarzelle angeordnet ist, muss mit der Problematik umgegangen
werden, dass sowohl die Emitterbereiche als auch die Basisbereiche
an der Rückseite
der Solarzelle nebeneinander angeordnet sind. Somit kann der pn-Übergang
nicht mehr entlang der gesamten Oberfläche der Solarzelle ausgebildet
werden, sondern die ihn zusammen mit dem Volumen-Basisbereich bildenden
rückseitigen
Emitterbereiche können
nur noch an einem Teil der Rückseiten-Oberfläche der
Solarzelle ausgebildet werden.
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Dazwischen
müssen
rückseitige
Basisbereiche zur Kontaktierung der Basis vorgesehen sein.
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Ein
Beispiel einer herkömmlichen
Rückkontaktsolarzelle
ist in 7 im Querschnitt dargestellt. Ein Halbleitersubstrat 101 bildet
in seinem Volumen einen Basisbereich beispielsweise vom p-Halbleitertyp.
An einer Rückseiten-Oberfläche 103 sind
Emitterbereiche 105 ausgebildet. Die Emitterbereiche 105 belegen
den überwiegenden
Anteil der Rückseiten-Oberfläche 103.
Zwischen den länglichen,
fingerförmigen
Emitterbereichen 105 sind schmale, linienförmige Bereiche
freigelassen, an denen Basisbereiche 107 des Halbleitersubstrats 101 bis
an die Rückseiten-Oberfläche 103 reichen.
Die Rückseitenoberfläche 103 ist
mit einer dielektrischen Passivierschicht 109 bedeckt,
die einen geringen Brechungsindex aufweisen kann, so dass sie zum
Beispiel als rückseitiger
Reflektor für
die Solarzelle dienen kann, und die beispielsweise aus Siliziumdioxid
ausgebildet sein kann. Die Passivierschicht 109 weist lokal Öffnungen 111 auf,
durch die hindurch Emitterkontakte 113 die Emitterbereiche 105 kontaktieren
können. Ferner
weist die Dielektrikumschicht 109 Öffnungen 115 auf,
durch die hindurch Basiskontakte 117 die lokal bis zur
rückseitigen
Oberfläche
reichenden Basisbereiche 107 kontaktieren können. Die
Emitterkontakte 113 und die Basiskontakte 117 sind
durch schmale Spalte 119 voneinander getrennt und somit elektrisch
isoliert.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf die Rückseite der
in 7 dargestellten herkömmlichen Rückkontaktsolarzelle. Es ist
zu erkennen, wie längliche,
fingerförmige
Emitter- und Basiskontakte 113, 117 kammartig
ineinander verschachtelt angeordnet sind. Die Emitterkontakte 113 weisen
dabei eine wesentlich größere Breite
auf als die Basiskontakte 117. An ihren seitlichen Enden
münden
die Emitterkontakte 113 in Strom-sammelnde Emitter-Busbars 121,
welche als Verbreiterungen der Emitter-Metallisierung an einem Rand
der Solarzelle ausgebildet sind. Dementsprechend münden die
Basiskontakte 117 in Basis-Busbars 123 am gegenüber liegendem
Rand der Zellrückseite.
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Bei
der beschriebenen herkömmlichen Rückkontaktsolarzelle
besteht folgendes Optimierungsproblem: für ein effektives Einsammeln
der durch Licht im Basissubstrat 101 erzeugten Ladungsträger ist
ein möglichst
großflächiger Emitterbereich 105,
das heißt
ein möglichst
großflächiger pn-Übergang
von Vorteil, damit die erzeugten Minoritätsladungsträger kurze Wege zu dem pn-Übergang
haben und eingesammelt werden können,
bevor sie rekombinieren. Ein großflächiger Emitter impliziert jedoch bei
diesem herkömmlichen
Solarzellen-Konzept lange Wege für
die Majoritätsladungsträger innerhalb des
Basissubstrats 101. Dies kann, insbesondere bei schwach
dotierten Basissubstraten mit geringer Leitfähigkeit, zu Widerstandsverlusten
führen.
Eine Zelloptimierung muss also in Abwägung zwischen optimaler Stromsammlung
und Serienwiderstandsminimierung erfolgen.
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Diese
Problematik stellt sich in verschärfter Weise unter den Busbars 121, 123 der
Solarzelle, bei denen die fingerförmigen Kontakte 113, 117 zusammengeführt werden.
Hier tragen die Busbars die Summe des Stroms mehrerer Kontaktfinger
bis zu den Stromabnahmepunkten, den „Lötpads". Da die Stromstärke hier größer ist, müssen die Busbars, wie in 8 gezeigt,
breiter ausgestaltet sein als die Kontaktfinger selbst. Insbesondere
unter dem Emitter-Busbar 121 erhöht sich daher das Serienwiderstandsproblem
sehr deutlich und kann somit den Wirkungsgrad der gesamten Solarzelle
senken. Im Bereich des Basis-Busbars 123, wo sich bei diesem
herkömmlichen
Zellkonzept kein Emitter befindet, kann es außerdem zu einer verminderten
Stromsammelfähigkeit
kommen, was ebenfalls zu negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad
der gesamten Solarzelle führen
kann. Die für
den Emitterbusbar und den Basisbusbar genannten Verluste treten
zusätzlich verstärkt unter
den verbreiterten Bereichen der Busbars auf, die als Lötpads dienen.
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Ein
weiterer, bei der Optimierung von Rückkontaktsolarzellen zu berücksichtigender
Aspekt ist, dass aus Gründen
der Herstellungskostenminimierung in der Regel die Emitterkontakte 113 und
die Basiskontakte 117 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt
aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen von Metall.
Somit sind beide Kontakttypen im Wesentlichen gleich dick. Die Basiskontakte 117 sind
jedoch bei der in den 7 und 8 gezeigten
Rückkontaktsolarzelle
wesentlich schmaler als die Emitterkontakte 113. Da beide
Kontakte 113, 117 den gleichen Strom abführen müssen, ergibt
sich jedoch, dass bei Aufbringen einer Metallschichtdicke für die Kontakte,
die für
eine effiziente Stromableitung von der Basis durch die Basiskontakte
ausreichend ist, die Emitterkontakte wesentlich dicker als erforderlich
sind. Mit anderen Worten wird, wenn Basis- und Emitterkontakte in
einem gemeinsamen Prozessschritt abgeschieden werden, auf den großflächigeren
Emitterkontakten unnötig
viel Metall abgeschieden. Das Aufbringen der Metallisierung für die Kontakte
und auch die zugehörigen
Materialkosten stellen jedoch einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten
der Solarzellen dar.
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Es
kann daher erstrebenswert sein, die Metallkontakte sowohl für die Emitter-
als auch die Basiskontakte in etwa gleicher Breite auszubilden und dabei
vorzugsweise beide Kontakttypen möglichst breit anzufertigen,
so dass bei geringer Metallschichtdicke ein möglichst geringer elektrischer
Widerstand in den Metallkontakten erreicht werden kann.
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In
einem Versuch, den oben geschilderten, teilweise gegensätzlichen
Anforderungen an eine Rückkontaktsolarzelle
gerecht zu werden, wurden Rückkontaktsolarzellen
entwickelt, wie sie in 9 schematisch dargestellt sind.
Diese Rückkontaktsolarzellen
weisen sehr feine Strukturen sowohl für die Basis- und Emitterbereiche 205, 207 wie
auch für
die Basis- und Emitterkontakte 213, 217 auf. Die
Strukturbreiten liegen hierbei typischerweise zwischen 5 μm und 100 μm.
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Der
dargestellte Solarzellentyp weist nur schmale Emitterbereiche 205 auf,
die den Stromsammelnden pn-Übergang
bilden. Dazwischen liegen jeweils schmale Basisbereiche 207.
Hierdurch kann gewährleistet
werden, dass die Majoritätsladungsträger nur
kurze Wege im Innern des Halbleitersubstrats 201 hin zu
den Basisbereichen 207 und dann zu den Basiskontakten 217 zurückzulegen
brauchen. Gleichzeitig ist durch den geringen Abstand zwischen benachbarten
Emitterbereichen 205 gewährleistet, dass die Minoritätsladungsträger nur
kurze Wege zu einem Strom-sammelnden pn-Übergang zurückzulegen haben, wodurch eine
gute Stromsammeleffizienz gewährleistet
werden kann.
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Allerdings
hat sich herausgestellt, dass es eine große technologische Herausforderung
insbesondere für
eine kostengünstige
Massenproduktion von großflächigen Rückkontaktsolarzellen
darstellen kann, sowohl Emitter- und Basisbereiche als auch Emitter- und Basiskontakte
mit derart feinen Strukturen mit Breiten von 5 bis 100 μm fehlerfrei
herzustellen. Im Labormaßstab
werden hierfür
häufig
hoch präzise
Verfahren wie zum Beispiel die Fotolithographie eingesetzt. Diese
Fertigungsverfahren müssen mit
sehr hoher Zuverlässigkeit
ausgeführt
werden, da bereits einzelne Fehler, insbesondere bei der Kontakttrennung
zwischen benachbarten Fingern der Emitter- und Basiskontakte zu
einer erheblichen Schädigung
der Solarzelle führen
können.
Daher haben sich entsprechend fein strukturierte Rückkontaktsolarzellen
für eine
großindustrielle
Massenfertigung von billigen Solarzellen als weitgehend ungeeignet
herausgestellt.
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Ein
weiteres Problem bei der fein strukturierten Rückkontaktsolarzelle aus 9 kann
darin bestehen, dass aufgrund der kleinen Strukturbreiten die zwangsweise
zwischen benachbarten Emitter- und Basiskontakten 213, 217 für eine elektrischen
Isolation vorzusehenden Spalte 219 einen erheblichen Anteil
an der Rückseiten-Oberfläche der
Solarzelle einnehmen können.
Infolgedessen muss die Dicke der Kontaktfinger entsprechend hoch
gewählt
werden, um ausreichend viel Metall bereitzustellen, so dass ein
geringer Serienwiderstand für
den lateralen Stromtransport erreicht werden kann. Die Herstellung
solch schmaler und gleichzeitig hoher Metallkontakte ist technologisch
schwierig bzw. mit erhöhten
Kosten verbunden, insbesondere bei Beschichtungsverfahren wie Sputtern
oder Galvanik.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
kann daher ein Bedarf an einer Rückkontaktsolarzelle
und an einem Verfahren zur Herstellung einer Rückkontaktsolarzelle bestehen,
bei der/dem die oben genannten Probleme herkömmlicher Rückkontaktsolarzellen zumindest
teilweise gelöst
werden können.
Insbesondere kann ein Bedarf an einer Rückkontaktsolarzelle bestehen,
die einerseits gute Strom-sammelnde Eigenschaften aufweist und die
andererseits geringe Serienwiderstände innerhalb der Basis zulässt. Es
kann dabei erstrebenswert sein, dass eine solche Solarzelle in technologisch
einfacher, reproduzierbarer und zuverlässiger Weise und bei geringen
Kosten herstellbar ist.
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Dieser
Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie
in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rückkontaktsolarzelle
beschrieben, die ein Halbleitersubstrat, längliche Emitterbereiche an
einer Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats,
längliche
Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats, längliche
Emitterkontakte quer zu den länglichen
Emitterbereichen zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche
und längliche
Basiskontakte quer zu den länglichen
Emitterbereichen zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche
aufweist. Das Halbleitersubstrat weist vorzugsweise einen Basis-Halbleitertyp
auf, der entweder ein n-Halbleitertyp
oder ein p-Halbleitertyp sein kann. Die länglichen Basisbereiche an der
Rückseiten-Oberfläche weisen
ebenfalls den Basis-Halbleitertyp auf. Die Emitterbereiche weisen
einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp
auf. Die länglichen
Emitterbereiche weisen kleinere Strukturbreiten auf als die länglichen
Emitterkontakte und die länglichen
Basisbereiche weisen kleinere Strukturbreiten auf als die länglichen
Basiskontakte.
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Dieser
erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden
Idee basierend angesehen werden: An der Rückseiten-Oberfläche der Solarzelle
werden sowohl schmale längliche
Basisbereiche als auch schmale längliche
Emitterbereiche ausgebildet, wobei die Basis- und Emitterbereiche benachbart
aneinander angrenzend und kammartig ineinander verzahnt ausgebildet
sein können.
Um die jeweiligen Emitter- und Basisbereiche elektrisch zu kontaktieren,
werden längliche
Emitter- und Basiskontakte vorgesehen. Diese verlaufen jeweils quer zu
den Emitter- und Basisbereichen und können letztere zumindest in
Teilbereichen der Rückseite
der Solarzelle kreuzen. Durch geeignete Maßnahmen, wie sie beispielhaft
weiter unten in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen detaillierter
dargestellt werden, kann gewährleistet
werden, dass die Emitterkontakte ausschließlich die Emitterbereiche,
nicht jedoch die Basisbereiche kontaktieren und dass umgekehrt die Basiskontakte
ausschließlich
die Basisbereiche, nicht jedoch die Emitterbereiche kontaktieren.
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Bei
dem vorgeschlagen Zellkonzept kann unter anderem erreicht werden,
dass die Strukturbreiten der Emitter- und Basiskontakte unabhängig von
denjenigen der Emitter- und Basisbereiche gewählt werden können. Auf
diese Weise kann bei der Optimierung der Solarzelle den teilweise
gegensätzlichen
Anforderungen an die geometrische Anordnung und an die Strukturbreiten
der Emitter- und Basisbereiche einerseits und der Emitter- und Basiskontakte
andererseits Rechnung getragen werden. Es hat sich nun als vorteilhaft
herausgestellt, die Strukturbreiten der Emitter- und Basisbereiche
kleiner als die Strukturbreiten der Emitter- und Basiskontakte zu
wählen.
Einerseits können
durch schmale und eng benachbarte Emitterbereiche und dazwischen
verlaufende schmale und ebenfalls eng benachbarte Basisbereiche
sowohl gute Strom-sammelnde Eigenschaften wie auch geringe Serienwiderstandsverluste
innerhalb der Basis erreicht werden. Andererseits kann durch verhältnismäßig breite Emitter-
und Basiskontakte eine einfache und zuverlässige Herstellung der Kontakte
erreicht werden. Außerdem
können
die Emitter- und Basiskontakte flächenmäßig etwa gleich groß ausgebildet
werden, so dass in einem gemeinsamen Prozessschritt beide Kontakttypen
mit der gleichen Dicke ausgebildet werden können, ohne dass einer der Kontakttypen
bezogen auf seine Fläche
eine verschwenderisch große Dicke
aufweisen würde
und ohne dass im anderen Falle einer der Kontakttypen bei gegebener
Metallisierungsdicke aufgrund seiner geringeren Breite einen zu
großen
elektrischen Widerstand darstellen würde.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und mögliche
Vorteile von Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Rückkontaktsolarzelle
werden im Anschluss erläutert.
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Das
für die
Rückkontaktsolarzelle
verwendete Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein mono- oder
multikristalliner Siliziumwafer sein. Alternativ können auch
Dünnschichten
aus amorphem oder kristallinem Silizium oder aus anderen halbleitenden Materialien
als Substrat verwendet werden.
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Die
länglichen
Emitterbereiche können
durch Eindiffundieren von Dotanden in das Halbleitersubstrat erzeugt
werden. Beispielsweise kann in einem Halbleitersubstrat vom p-Typ durch lokales
Eindiffundieren von Phosphor ein Emitterbereich vom n-Typ erzeugt
werden. Alternativ können
die Emitterbereiche jedoch auch durch andere Verfahren wie zum Beispiel
durch Innenimplantation oder Legieren erzeugt werden, so dass sich
eine sogenannte Homo-Junction, das heißt ein pn-Übergang mit gegensätzlich dotierten
Bereichen eines gleichen Halbleitergrundmaterials, zum Beispiel
Silizium, ergibt. Alternativ können
die Emitterbereiche auch epitaktisch abgeschieden werden, beispielsweise
durch Aufdampfen oder Aufsputtern, so dass sich Homo- oder sogenannte
Hetero-Junctions ergeben, das heißt im letzteren Falle pn-Übergänge zwischen
einem ersten Halbleitermaterial vom Basis-Halbleitertyp und einem zweiten Halbleitermaterial
vom Emitter-Halbleitertyp. Ein mögliches
Beispiel sind Emitterbereiche aus mittels der PECVD-Technik aufgebrachten
Schichten aus amorphem Silizium (a-Si) auf einem Halbleitersubstrat
aus kristallinem Silizium (c-Si).
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Die
länglichen
Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats können entweder
Bereiche sein, die bei der Erzeugung der Emitterbereiche im Halbleitersubstrat
ausgespart wurden und damit vom Basis-Halbleitertyp verblieben sind,
oder sie können
mittels eines der oben für die
Erzeugung der Emitterbereiche beschriebenen Herstellungsverfahren
erzeugt werden.
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Zur
Erzeugung der feinen Emitter- und Basisbereiche können beispielsweise
Fotolithographie-Verfahren eingesetzt werden. Alternativ können entsprechende
Masken, die beispielsweise durch Laserstrukturieren hergestellt
werden können,
verwendet werden.
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Die
länglichen
Emitterbereiche und/oder die länglichen
Basisbereiche können
eine zusätzliche Schicht,
z. B. aus ITO (Indium Tin Oxide). zur Verstärkung der lateralen Leitfähigkeit
aufweisen.
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Eine
für die
Funktionsweise der Solarzelle sinnvolle komplementäre Art der
Anordnung der Basis- und Emitterbereiche an der Rückseite
der Solarzelle kann in technologisch einfacher Weise dadurch erzeugt
werden, dass zunächst
an der Rückseite
der Solarzelle ganzflächig
Emitter (bzw. Basis) erzeugt wird, und anschließend durch lokales Einbringen
von Dotierstoffen durch zum Beispiel Ionenimplantation oder Diffusion
von Dotierstoffen durch zum Beispiel ein strukturierte Diffusionsmaske,
an den gewünschten
Stellen Basis- (bzw. Emitter-)Bereiche erzeugt werden, die die erstgenannte,
ganzflächige
Emitter- (bzw. Basis-)Schicht lokal überkompensieren.
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Eine
weitere Alternative stellt die zunächst großflächige Erzeugung beispielsweise
eines Emitterbereichs dar, wobei der Emitterbereich anschließend durch
lokales Abtragen von Teilbereichen beispielsweise mittels eines
Lasers zu feineren Strukturbreiten hin ausgebildet werden kann.
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Die
Emitter- und die Basisbereiche können, in
einer Draufsicht auf die Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats gesehen, jeweils als kammartige Struktur ausgebildet
sein, bei der jeweils fingerartige lineare Emitterbereiche an benachbarte
fingerartige lineare Basisbereiche angrenzen. Eine solche verschachtelte
Struktur wird auch als „interdigitated" bezeichnet. Die
kammartige Struktur braucht nicht über die gesamte Zelloberfläche hin
in gleicher Weise ausgebildet sein. Sie kann an Besonderheiten in
bestimmten Bereichen der Zelloberfläche angepasst sein. Zum Beispiel
kann in Regionen unterhalb der Basis-Busbars eine andere Struktur
gewählt
werden als in Regionen unterhalb der Emitter-Busbars. Desweitern
kann diese Struktur auch rein ausschließlich an bestimmten Stellen
der Zelle vorliegen, zum Beispiel im Bereich der Busbars oder Lötpads.
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Sowohl
die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte können jeweils in Form einer
lokalen Metallisierung beispielsweise in Form fingerartiger Grids ausgebildet
sein. Hierzu können
Metalle wie beispielsweise Silber oder Aluminium lokal beispielsweise
durch eine Maske oder unter Verwendung von Fotolithographie auf
der Rückseiten-Oberfläche der
Solarzelle abgeschieden werden, beispielsweise durch Aufdampfen
oder Aufsputtern oder auch durch Verwendung von Siebdruck- oder
Dispensverfahren. Generell können
alle Verfahren verwendet werden, die es ermöglichen, Kontakte lokal, beispielsweise Finger-
oder Gridförmig,
an einer Substratrückseite auszubilden,
einschließlich
der Möglichkeit,
ganzflächige
Metallschichten aufzubringen, die im Nachhinein durch lokales Entfernen
strukturiert werden. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Emitterkontakten
und den Basiskontakten kann zwischen den beiden jeweils ein elektrisch
isolierender Spalt vorgesehen sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine gemittelte Strukturbreite der
länglichen
Emitterbereiche und/oder der länglichen
Basisbereiche wenigstens 10%, vorzugsweise wenigstens 20% und stärker bevorzugt
wenigstens 50% kleiner als eine gemittelte Strukturbreite der länglichen
Emitterkontakte und/oder der länglichen Basiskontakte.
Beispielsweise können
die Emitter- und Basisbereiche Strukturbreiten im Bereich von 5 bis
500 μm aufweisen
und die Emitter- und Basiskontakte können entsprechend größere Strukturbreiten im
Bereich von 200 μm
bis 2 mm aufweisen.
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Die
Strukturbreiten der Emitter- und Basisbereiche können beispielsweise so gewählt werden, dass
der gemittelte Abstand zwischen benachbarten Emitterbereichen, der
bei ineinander verschachtelten Strukturen etwa der Strukturbreite
der Basisbereiche entspricht, kleiner oder im Wesentlichen gleich
der effektiven Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge in dem
Halbleitersubstrat ist, so dass Licht-generierte Ladungsträger effizient
an den durch die Emitterbereiche ausgebildeten pn-Übergängen gesammelt werden
können.
Andererseits kann die gemittelte Strukturbreite der Emitterbereiche,
die im Wesentlichen dem Abstand zwischen benachbarten Basisbereichen
entspricht, so gewählt
sein, dass Serienwiderstände
bezogen auf zu den Basisbereichen driftende Majoritätsladungsträgern möglichst
gering gehalten werden.
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Die
Strukturbreiten der Emitter- und Basiskontakte können so gewählt sein, dass die Kontakte einerseits
technologisch einfach herstellbar sind und insbesondere eine Kontakttrennung
zwischen Emitter- und Basiskontakten zuverlässig gewährleistet werden kann, und
dass andererseits die Abstände zwischen
benachbarten länglichen
Emitterkontakten bzw. Basiskontakten klein genug sind, so dass Ladungsträger keine
weiten lateralen Strecken durch schwach dotierte Basisbereiche bis
zu einem Kontakt zurückzulegen
brauchen, und so dass der Transport der elektrischen Ladungsträger entlang
der mindestens zum Teil länglichen
und relativ stark dotierten Emitter- und Basis-Bereiche bis zu einem
jeweiligen Kontakt keine wesentlichen Serienwiderstandsverluste
erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind mehrere längliche Emitterbereiche und
mehrere längliche
Basisbereiche jeweils abwechselnd aneinander angrenzend und parallel
zueinander angeordnet und mehrere längliche Emitterkontakte und
mehrere längliche
Basiskontakte sind jeweils abwechselnd und parallel zueinander angeordnet.
Der Mittenabstand zwischen benachbarten Emitter- und Basisbereichen
ist hierbei kleiner als der Mittenabstand zwischen benachbarten
Emitter- und Basiskontakten.
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Mit
anderen Worten können
die Emitter- und Basisbereiche wie auch die Emitter- und Basiskontakte
jeweils als ineinander verzahnte Strukturen ausgebildet sein, wobei
ein Verzahnungsgrad, der als Anzahl von benachbarten Bereichen bzw.
Kontakten pro Einheitsfläche
definiert werden kann, für die
Emitter- und Basisbereiche größer ist
als für
die Emitter- und Basiskontakte.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung queren längliche Emitterkontakte längliche
Basisbereiche, wobei die länglichen Basisbereiche
von den sie querenden länglichen Emitterkontakten
durch eine elektrisch isolierende Schicht isoliert sind.
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Mit
anderen Worten können
zumindest einige der länglichen
Emitterkontakte zumindest in Teilbereichen quer, beispielsweise
senkrecht, über
darunter liegende Basisbereiche verlaufen. Damit es in diesem Fall
nicht zu lokalen Kurzschlüssen
in der Solarzelle kommt, sind die Emitterkontakte dort gegenüber den
darunter verlaufenden Basisbereichen durch eine elektrisch isolierende
Schicht isoliert. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise eine
auf der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats aufgebrachte Dielektrikumschicht z. B. aus Siliziumnitrid
oder Siliziumoxid oder auch eine Schicht aus einem organischen Lack
sein. Die Schicht kann beispielsweise zunächst ganzflächig auf die Rückseiten-Oberfläche aufgebracht
werden und dann an den Stellen, an denen eine elektrische Verbindung
zwischen einem Kontakt und einem darunter liegenden Emitter- bzw.
Basisbereich hergestellt werden soll, lokal geöffnet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Rückkontaktsolarzelle derart
ausgebildet, dass eine elektrische Leitfähigkeit in den länglichen Basisbereichen
an der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats höher
ist als in Basisbereichen im Innern des Halbleitersubstrats.
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Mit
anderen Worten sind die länglichen
Basisbereiche nicht lediglich Bereiche, in denen keine Emitter-Dotierung
vorgenommen wurde, und die daher die gleiche Dotierung haben wie
das ursprüngliche
Halbleitersubstrat. Stattdessen können die Basisbereiche eine
im Vergleich zum Halbleitersubstrat erhöhte Dotierungskonzentration
vom Basis-Halbleitertyp, beispielsweise mehr als 1·1018 cm–3, vorzugsweise mehr
als 1·1019 cm–3, stärker bevorzugt
mehr als 5·1019 cm–3 und noch stärker bevorzugt
mehr als 1·1020 cm–3, aufweisen und somit
eine erhöhte
Leitfähigkeit.
Beispielsweise können
die länglichen
Basisbereiche durch einen zusätzlichen
Diffusionsprozessschritt, bei dem Dotanden zur Erzeugung des Basis-Halbleitertyps lokal
an der Halbleitersubstrat-Rückseite
eindiffundiert werden, erzeugt werden.
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Durch
eine erhöhte
Leitfähigkeit
innerhalb der länglichen
Basisbereiche kann erreicht werden, dass Majoritätsladungsträger mit nur geringen Serienwiderstandsverlusten
bzw. über
vergleichsweise lange Distanzen ohne wesentlichen Widerstandsverlust
entlang der gut leitfähigen
länglichen
Basisbereiche hin zu den zu diesen quer verlaufenden Basiskontakten
geleitet werden können.
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Insbesondere
dann, wenn gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
die Emitterbereiche und die Basisbereiche entlang der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats im Wesentlichen homogen verteilt sind, d. h.
zum Beispiel so fein verteilt sind, dass die Abstände zwischen
den relativ stark dotierten rückseitigen
Basisbereichen vorzugsweise über
die gesamte Rückseiten-Oberfläche der Solarzelle
klein sind, kann dadurch erreicht werden, dass Majoritätsladungsträger überall in
dem Basis-artigen Hauptvolumen des Halbleitersubstrats lediglich
geringe Strecken zurücklegen
müssen,
bevor sie in einen gut leitfähigen
länglichen
Basisbereich gelangen, wo sie dann ohne weitere wesentliche Serienwiderstandsverluste
zu den Basiskontakten geleitet werden können. Auf diese Weise kann
der Gesamtserienwiderstand der Solarzelle reduziert werden. Unter
einer vorzugsweise homogenen Verteilung von feinen länglichen
Basis- bzw. Emitterbereichen kann dabei verstanden werden, dass
die Abstände
zwischen den rückseitigen
relativ stark dotierten Basisbereichen ausreichend gering sind,
so dass bei den erwarteten Kurzschluss-Stromdichten der Solarzelle und dem
durch Substratdicke, -Dotierung und Ladungsträgerbeweglichkeit gegebenen
Widerstand des Substrates zwischen den rückseitigen Basisbereichen im
Halbleitersubstrat kein wesentlicher Spannungsabfall auftritt. Strukturbreiten
der Emitterbereiche und der Basisbereiche können dabei gleich groß sein,
alternativ können
die Emitterbereiche aber auch breiter als die Basisbereiche gewählt werden, um
einen möglichst
großflächigen,
Ladungsträger-sammelnden
pn-Übergang
auszubilden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Rückkontaktsolarzelle
beschrieben, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen
eines Halbleitersubstrats vom Basis-Halbleitertyp; Ausbilden länglicher
Emitterbereiche vom Emitter-Halbleitertyp an einer Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats; Ausbilden länglicher
Basisbereiche vom Basis-Halbleitertyp an der Rückseiten-Oberfläche des
Halbleitersubstrats; Ausbilden länglicher
Emitterkontakte quer zu den länglichen
Emitterbereichen zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche;
Ausbilden länglicher
Basiskontakte quer zu den länglichen
Basisbereichen zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche.
Die länglichen
Emitterbereiche weisen hierbei kleinere Strukturbreiten auf als
die länglichen Emitterkontakte
und die länglichen
Basisbereiche weisen kleinere Strukturbreiten auf als die länglichen Basiskontakte.
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Die
Emitterbereiche und die Basisbereiche können mittels unterschiedlicher
Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch lokales Eindiffundieren unter
Verwendung beispielsweise von Masken oder Lithographie, durch Innenimplantation,
durch lokales Einlegieren, durch epitaktisches Aufbringen entsprechender
Schichten, etc.
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Auch
die Emitter- und Basiskontakte können mittels
verschiedener Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch
lokales Aufdampfen zum Beispiel unter Verwendung von Masken oder
Lithographie, oder durch Aufsputtern oder auch durch Verwendung
von Siebdruck- oder Dispensverfahren. Generell können alle Verfahren verwendet
werden, die es ermöglichen,
Kontakte lokal, beispielsweise Finger- oder Grid-förmig, an
einer Substratrückseite auszubilden,
einschließlich
der Möglichkeit,
ganzflächige
Metallschichten aufzubringen, die im Nachhinein durch lokales Entfernen
strukturiert werden. Das heißt
neben anderem, dass die Kontakte auch zunächst als gemeinsame, die gesamte
Rückseitenoberfläche der
Solarzelle bedeckende Metallschicht ausgebildet werden können, wobei
anschließend eine
Kontakttrennung zwischen den Emitter- und Basisbereichen zum Beispiel
durch lokales Entfernen von Metall beispielsweise durch Wegätzen oder Weglasern
erreicht werden kann.
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Es
wird angemerkt, dass die Ausführungsformen,
Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Rückkontaktsolarzelle
beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden
und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern
dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der
Erfindung auch analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Solarzelle übertragen
werden können.
Insbesondere können
die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise
untereinander kombiniert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen,
die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf die Rückseite einer
Rückkontaktsolarzelle
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Kontaktstruktur der in 1 dargestellten
Ausführungsform.
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3 zeigt
eine Querschnittsdarstellung entlang der Ebene A-A aus 1.
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4 zeigt
eine Querschnittsdarstellung entlang der Ebene B-B aus 1.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf die Rückseite einer
Rückkontaktsolarzelle
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf die Rückseite einer
Rückkontaktsolarzelle
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
eine Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen Rückkontaktsolarzelle.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf die Rückseite der
herkömmlichen
Rückkontaktsolarzelle
aus 7.
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9 zeigt
eine Querschnittsdarstellung einer weiteren herkömmlichen Rückkontaktsolarzelle.
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Alle
Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren
sind ähnliche oder
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
eine Ausführungsform
einer Rückkontaktsolarzelle
in Draufsicht auf deren Rückseite
gezeigt. Aus zeichnerischen Gründen
wurden die Emitter- und Basiskontakte 11, 13 durchscheinend,
mit gestrichelter Umrandung dargestellt, so dass die darunter liegenden
Emitter- und Basisbereiche 5, 7 erkennbar sind.
Zur Verdeutlichung ist die Struktur der Emitter- und Basiskontakte 11, 13 nochmal
separat in 2 gezeigt. Es wurden lediglich
vier Emitterkontaktfinger dargestellt, wobei jedoch selbstverständlich ist,
dass eine reale Solarzelle eine Vielzahl solcher Emitterkontaktfinger
aufweist und dass auch deren Abmessungen in den Figuren nicht maßstabsgetreu
wiedergegeben ist.
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Wie
in 1 zu erkennen, befinden sich an der Rückseiten-Oberfläche eines
Halbleitersubstrats 1 längliche,
fingerförmige
Emitterkontakte 11, die parallel zueinander im Wesentlichen
längs der
gesamten Rückseiten-Oberfläche verlaufen.
Die Emitterkontaktfinger 11 münden an einem Rand der Solarzelle
in einen zu den Fingern 11 quer verlaufenden Emitter-Busbar 21.
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Versetzt
zu den Emitter-Fingern 11 erstrecken sich parallel zueinander
und mit den Emitterkontaktfinger verzahnt mehrere Basiskontaktfinger 13.
Diese münden
in einen Basis-Busbar 23 am
gegenüberliegenden
Rand der Solarzelle.
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Quer
zu den in der Zeichnung in y-Richtung verlaufenden Emitter- und
Basiskontaktfingern 5, 7 verlaufen an der Rückseiten-Oberfläche 3 des
Halbleitersubstrats 1 längliche
Emitterbereiche 5 und längliche
Basisbereiche 7. Parallel zueinander verlaufende längliche
Emitterbereiche 5 wie auch parallel zueinander verlaufende
Basisbereiche 7 sind jeweils in deren Mitte durch quer
zu den Bereichen 5, 7 verlaufende Verbindungsstücke 25, 27 miteinander verbunden,
so dass sich jeweils ein Fischgrätenmuster
ergibt. Die länglichen
Emitter- und Basisbereiche verlaufen in der Zeichnung in x-Richtung,
das heißt orthogonal
zur Richtung der Emitter- und Basiskontaktfinger 11, 13.
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Eine
Strukturbreite WEWB der
Emitter- bzw. Basiskontaktfinger ist etwa drei bis vier Mal so groß wie eine
Strukturbreite We, Wb der
dazu quer verlaufenden Emitter- bzw. Basisbereiche 5, 7.
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Wie
in den 2 und 3 erkennbar, sind die Emitter-
und Basiskontakte 11, 13 in weiten Bereichen der
Rückseiten-Oberfläche 3 durch
eine elektrisch isolierende Schicht 9 in Form einer Dielektrikumschicht
von den Emitterbereichen 5 und den Basisbereichen 7 getrennt.
Lediglich an Öffnungen 15, 17 in
der isolierenden Schicht 9 können die Kontakte 11, 13 die
darunter liegenden Bereiche 5, 7 lokal kontaktieren.
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Sowohl
die Emitterbereiche 5 als auch die Basisbereiche 7 wurden
in das Halbleitersubstrat 1 an dessen Rückseite eindiffundiert und
weisen aufgrund einer erhöhten
Dotandenkonzentration eine vergrößerte Leitfähigkeit
auf. Da die Emitterbereiche 5 seitlich, in x-Richtung über eine
von dem darüber liegenden
Emitterkontakt 11 bedeckte Region hinausragen, sogar bis
in das Gebiet des benachbarten Basiskontakts 13, können aufgrund
des entstehenden pn-Übergangs
auch dort Ladungsträger
effizient eingesammelt werden und dann mit geringen Serienwiderstandsverlusten
entlang der hoch dotierten Emitterbereiche 5 hin zum Emitterkontakt 11 geleitet werden.
Analoges gilt für
die Basiskontakte 13 und die Basisbereiche 7.
Somit können
aufgrund der feinen Verzahnung von Emitter- und Basisbereichen 5, 7 sowohl
gute Sammeleigenschaften als auch geringe Serienwiderstände realisiert
werden.
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Im
Vergleich zu den Emitter- und Basisbereichen 5, 7 weisen
die Emitter- und Basiskontakte 11, 13 eine wesentlich
gröbere
Verzahnung auf. Solch grobe Strukturen der Metallisierung mit Größenordnungen
beispielsweise im Bereich von mehr als einem Millimeter können technologisch
einfach und zuverlässig
hergestellt werden, insbesondere, da der Spalt 29 zwischen
Emitterkontakten 11 und Basiskontakten 13 dann
ohne wesentlichen Verlust an metallisierter Fläche verhältnismäßig breit ausgebildet werden
kann, beispielsweise mit einer Breite von wenigen 100 μm, was eine
zuverlässige
Isolation zwischen den Kontakten sichert.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Solarzelle
in Draufsicht auf deren Rückseite
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
ist das aus Emitterbereichen 5 und Basisbereichen 7 bestehende
Muster zumindest in Regionen außerhalb
der Busbars 21, 23 sehr einfach gehalten, nämlich in
Form von alternierend angeordneten länglichen, schmalen Bereichen 5, 7,
die an das Muster eines Zebrastreifens erinnern. Die einander benachbarten
Emitter- bzw. Basisbereiche 5, 7 sind dabei nicht
mehr in y-Richtung durch zusätzliche
Verbindungsbereiche innerhalb des Halbleitersubstrats miteinander
verbunden. Stattdessen findet eine solche elektrische Verbindung
lediglich durch die quer dazu verlaufenden und jeweils die einzelnen
Emitter- bzw. Basisbereiche 5, 7 lokal kontaktierenden
Emitter- bzw. Basiskontakte 11, 13 statt.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform gezeigt,
bei der der Emitter einen Großteil
der Rückseiten-Oberfläche bedeckt
und sich lediglich in Teilbereichen in der Region am Rand der Basiskontakte 13 längliche
Basisbereiche 7 befinden, die in die Regionen unterhalb
der Emitterkontakte 11 hineinreichen. Die stark dotierten
Basisbereiche 7 können
somit auch Majoritätsladungsträger, die
in den Regionen der Emitterkontakte 11 generiert wurden,
ohne wesentliche Serienwiderstandsverluste zu den Basiskontakten 13 hin
ableiten. Zwischen den länglichen
Basisbereichen 7 erstrecken sich ebenfalls längliche
Emitterbereiche 5. In der Region der Spitzen der Finger
der Basiskontakte 13 ragen längliche Emitterbereich-Finger 47 teilweise
schräg
bis weit unter die Region des Emitterbusbars 21, um auch von
dort Ladungsträger
verlustarm ableiten zu können.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführungsform wurde das Konzept
der länglichen
Emitter- und Basisbereiche 5, 7,
die quer zu den länglichen
Kontakten 11, 13 verlaufen, in besonders optimierter
Weise umgesetzt. Einerseits sind nur wenige längliche Basisbereiche notwendig,
sodass die Erzeugung dieser Bereiche einfach durchzuführen ist.
Andererseits sind diese Bereiche genau dort vorgesehen, wo sie gezielt
zur effizienten, verlustarmen Ableitung von Ladungsträgern aus
Regionen unterhalb der Emitterkontakte 11 und Emitterbusbars 21 beitragen.
Die zwischen den länglichen
Basisbereichen 7 verlaufenden länglichen Emitterbereiche 5 stellen
dabei gleichzeitig eine gut leitende Verbindung zu den den pn Übergang
bildenden und somit stromsammelnden Emittergebieten unter den Basiskontakten 13 und Basisbusbars 23 dar.
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Aufgrund
der vorangehenden Beschreibung ist dem Fachmann klar, dass das der
Erfindung zugrunde liegende Prinzip durch eine Vielzahl konkreter Ausgestaltungen
realisiert werden kann. Insbesondere die Ausgestaltung der Emitter-
und Basisbereiche sowie der Emitter- und Basiskontakte hinsichtlich ihrer
Geometrie und Anordnung sowie hinsichtlich deren Herstellung kann
stark variiert werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung, wie
er in den unabhängige
Ansprüchen
beschrieben ist, abzuweichen.
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Abschließend wird
darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassend", „aufweisen", etc. das Vorhandensein
weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein" schließt auch
das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen
in den Ansprüchen
dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der
Ansprüche
in keiner Weise beschränken.