DE102008030693A1 - Heterojunction-Solarzelle mit Absorber mit integriertem Dotierprofil - Google Patents

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Abstract

Es werden eine Heterojunction-Solarzelle (1) und ein Herstellungsverfahren für eine solche vorgeschlagen. Die Heterojunction-Solarzelle weist eine Absorberschicht (3) aus Silizium mit einer Grunddotierung und wenigstens eine Heterojunction-Schicht (5, 7) aus einem dotierten Halbleitermaterial, desseAbsorberschicht unterscheidet, auf. Die Absorberschicht (3) weist hierbei an einer zu der Heterojunction-Schicht (5, 7) gerichteten Grenzfläche (13, 15) eine dotierte Schicht auf, deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht. Aufgrund dieses Dotierprofils kann ein Feldeffekt bewirkt werden, der innerhalb der Absorberschicht generierte Ladungsträgerpaare davon abhält, hin zu der Grenzschicht zwischen der Absorberschicht und der Heterojunction-Schicht zu diffundieren und dort zu rekombinieren.

Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heterojunction-Solarzelle sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Heterojunction-Solarzelle.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Solarzellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Um die durch einfallendes Licht in einem Solarzellensubstrat generierten Ladungsträgerpaare räumlich trennen zu können, weist die Solarzelle verschiedene aneinandergrenzende Halbleiterbereiche auf, wobei die einzelnen Bereiche aufgrund der Energiebandstruktur der für die Bereiche verwendeten Halbleitermaterialien und/oder aufgrund der Art und Konzentration der in das jeweilige Halbleitermaterial eingebrachten Dotanden voneinander verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen. Aufgrund dieser verschiedenen elektrischen Eigenschaften stellt sich an der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Halbleiterbereichen eine elektrische Potentialdifferenz ein, aufgrund derer die Elektronen und Löcher der Licht-generierten Ladungsträgerpaare räumlich getrennt werden.
  • Allgemein wird zwischen sogenannten Homojunction-Solarzellen und sogenannten Heterojunction-Solarzellen unterschieden. Homojunction-Solarzellen weisen im allgemeinen ein einziges Halbleitersubstrat aus einem Halbleitermaterial auf, in dem durch lokales Einbringen von verschiedenen Dotanden die aneinander angrenzenden verschiedenen Halbleiterbereiche erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem Substrat aus Silizium ein mit Bor dotierter Bereich, der den p-Halbleitertyp aufweist, an einen mit Phosphor dotierten Bereich, der den n-Halbleitertyp aufweist, angrenzen, so dass sich an der Grenzfläche ein pn-Übergang bildet, der seinerseits wiederum die zur Trennung der Ladungsträger notwendige Potentialdifferenz generiert.
  • Im Gegensatz hierzu weisen Heterojunction-Solarzellen aneinander angrenzende Bereiche auf, die aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Da die Valenzbänder und Leitungsbänder der verschiedenen Halbleitermaterialien auf unterschiedlichen Energieniveaus liegen, kommt es an der Grenzfläche, an der die verschiedenen Halbleitermaterialien aneinander grenzen, zu sogenannten „Band-Offsets” und im allgemeinen auch zu einer Bandverbiegung, die die zur Ladungsträgertrennung gewünschte Potentialdifferenz bewirken können. Unterstützt werden kann dieser Effekt weiterhin dadurch, dass die einzelnen Halbleitermaterialien ihrerseits wiederum dotiert sein können, was zu zusätzlichen Einflüssen auf die Bandverbiegung führt.
  • Die für die Bildung der Heterojunction-Solarzelle verwendeten Halbleitermaterialien können sich einerseits hinsichtlich der hierfür verwendeten chemischen Elemente unterscheiden. Zum Beispiel können Schichten aus verschiedenen, Halbleiter-bildenden Elementen wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid, etc. übereinander abgeschieden werden. Es können jedoch auch Halbleitermaterialien aus den gleichen chemischen Elementen, aber in verschiedenen kristallinen oder amorphen Strukturen verwendet werden. Beispielsweise ist bekannt, dass Silizium je nachdem, ob es im kristallinen oder im amorphen Zustand vorliegt, sehr unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen kann, das heißt, dass sich unter anderem die Energieniveaus der Valenz- und Leitungsbänder bzw. deren Kanten sowie die dazwischen liegende Bandlücke signifikant unterscheiden können.
  • 1a zeigt eine herkömmliche Heterojunction-Solarzelle 101, bei der auf einer Absorberschicht 103 aus kristallinem Silizium (c-Si) an einer im Einsatz dem eingestrahlten Licht zugewandten Oberfläche eine weitere Halbleiterschicht, die hier als Heterojunction-Schicht 105 bezeichnet wird, abgeschieden ist. Die Heterojunction-Schicht 105 besteht aus amorphem Silizium (a-Si) und ist derart dotiert, dass sie den entgegengesetzten Halbleitertyp der Absorberschicht 103 aufweist. Die Heterojunction-Schicht 105 bildet somit einen Emitter für die Absorberschicht 103. An der Grenzfläche zwischen der Heterojunction-Schicht 105 und der Absorberschicht 103 wird aufgrund der dort auftretenden Bandverbiegungen bzw. Band-Offsets die gewünschte Potentialdifferenz zur Trennung der Ladungsträgerpaare generiert. An der gegenüberliegenden Oberfläche der Absorberschicht 103 ist in dem gezeigten Beispiel eine weitere Heterojunction-Schicht 107 abgeschieden. Diese weist den gleichen Halbleitertyp auf wie die Absorberschicht 103, die Dotierungskonzentration ist jedoch höher, so dass diese Heterojunction-Schicht 107 als Back-Surface-Field (BSF) dienen kann.
  • In 1b ist die ortsabhängige Dotierungskonzentration C für die in 1a gezeigten Bereiche der Heterojunction-Solarzelle 101 dargestellt. 1b ist dabei derart dargestellt, dass die den einzelnen Schichten 103, 105, 107 zuzuordnenden Bereiche direkt durch Vergleich mit 1a erkennbar sind. Wie aus 1b zu erkennen, ist die Änderung der Dotierungskonzentration C an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Heterojunction-Schichten 105, 107 und der Absorberschicht 103 abrupt. Insbesondere an der Grenzfläche, wo die im Wesentlichen homogen dotierte Absorberschicht vom n-Halbleitertyp oder p-Halbleitertyp an die ebenfalls im Wesentlichen homogen dotierte, als Emitterschicht dienende Heterojunction-Schicht 105 vom entsprechend entgegengesetzten p-Halbleitertyp bzw. n-Halbleitertyp grenzt und sich somit eine starke Potentialdifferenz ausbildet, findet sich ein abrupter Übergang von einer Dotierung des einen Halbleitertyps hin zu einer Dotierung des entsprechend anderen Halbleitertyps.
  • 2a zeigt ein weiteres Beispiel einer herkömmlichen Heterojunction-Solarzelle 151. Bei dieser Heterojunction-Solarzelle 151 ist zwischen eine Absorberschicht 153 und eine an der Frontseite und als Emitterschicht dienende Heterojunction-Schicht 155 bzw. eine an der Rückseite und als BSF-Schicht dienende Heterojunction-Schicht 157 jeweils eine zusätzliche, intrinsische amorphe Halbleiterschicht 159, 161 zwischengelagert. Das Zwischenlagern solcher intrinsischer Schichten 159, 161, die nicht bzw. sehr schwach (z. B. < 1 × 1016 cm–3 ) dotiert sind, kann bewirken, dass die stärker dotierte Emitterschicht 153 nicht mehr an die noch stärker dotierten Heterojunction-Schichten 155, 157 direkt angrenzt. Die an den Übergängen entstehenden Raumladungszonen bzw. Potentialverbiegungen werden auf diese Art verbreitert und die stark dotierten Heterojunctionschichten, die typischerweise nicht sehr hohe Ladungsträgerlebensdauern aufweisen, werden so durch die nicht- bzw. schwachdotierte Zwischenschicht von dem Absorbervolumen räumlich getrennt.
  • Es wurde beobachtet, dass die in 2a dargestellte Heterojunction-Solarzellen-Struktur bei guter Präparation eine höhere Oberflächenpassivierungsqualität aufweist, die zu einer dementsprechend höheren offene-Klemmen-Spannung führen kann, als dies bei der in 1a gezeigten Solarzellen-Struktur der Fall ist. Die Qualität der Oberflächenpassivierung nimmt dabei in der Regel mit zunehmender Dicke der intrinsischen Schichten 159, 161 aus amorphem Silizium zu. Typische Dicken solcher intrinsischen Schichten 159, 161 liegen im Bereich von 0,5 nm bis 10 nm.
  • Es wurde jedoch auch beobachtet, dass bei wie in 2a gezeigt präparierten Heterojunction-Solarzellen bislang der Füllfaktor immer relativ gering war verglichen zu den bei der in 1a dargestellten Solarzellen-Struktur beobachteten Füllfaktoren.
  • Die Beobachtung, dass bei der in 2a dargestellten Heterojunction-Solarzellen-Struktur einerseits die offene-Klemmen-Spannung höher ist als bei der in 1a gezeigten Struktur, andererseits der beobachtete Füllfaktor jedoch geringer ist, kann unter anderem in folgender Weise begründet werden: Die intrinsische a-Si-Schicht 159, 161 hat eine wesentlich höhere elektronische Qualität als die dotierten a-Si-Heterojunction-Schichten 105, 155, 107, 157. Das heißt, die Rekombinationsaktivität (in) der intrinsischen Schicht ist geringer als in den dotierten a-Si-Heterojunction-Schichten. Die effektive Oberflächenrekombination durch die Verwendung einer direkt an die c-Si-Absorberschicht 153 anschließenden intrinsischen a-Si-Heterojunction-Schicht 159, 161 ist demzufolge geringer (besser) als bei der in 1a gezeigten Solarzellen-Struktur, bei der eine dotierte a-Si-Heterojunction-Schicht 105, 107 direkt an die c-Si-Absorberschicht 153 angrenzt. Andererseits wird der Stromtransport innerhalb der Solarzelle durch die intrinsische(n) Schicht(en) behindert. In vereinfachender Weise kann von einem „Serienwiderstand” der intrinsischen Schicht 159, 161 gesprochen werden. Dieser zusätzliche „Serienwiderstand” kann zu einer Reduzierung des Füllfaktors und damit zu Wirkungsgradverlusten für die Solarzelle führen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es kann daher ein Bedarf an einer Heterojunction-Solarzelle bestehen, bei der unter anderem die oben geschilderten, bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen auftretenden Probleme zumindest teilweise reduziert sind. Insbesondere kann ein Bedarf an einer Heterojunction-Solarzelle bestehen, die einerseits eine gute effektive Oberflächenpassivierung und damit verbunden eine hohe offene-Klemmen-Spannung und andererseits einen hohen Füllfaktor aufgrund geringer Serienwiderstände aufweist. Ferner kann ein Bedarf an einem Herstellungsverfahren für eine solche Heterojunction-Solarzelle bestehen.
  • Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Heterojunction-Solarzelle vorgeschlagen, die eine Absorberschicht aus Silizium mit einer Grunddotierung und zumindest eine Heterojunction-Schicht aus einem dotierten Halbleitermaterial, dessen Bandlücke sich von derjenigen des Siliziums der Absorberschicht unterscheidet, aufweist. Die Absorberschicht weist dabei an einer zu der Heterojunction-Schicht gerichteten Grenzfläche eine dotierte Schicht auf, deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht.
  • Dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden:
    Ausgehend von den weiter oben beschriebenen herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen besteht eine Weiterentwicklung darin, dass eine in sich bezüglich ihrer Grunddotierung im Wesentlichen homogen dotierte Absorberschicht an ihrer Grenzfläche nicht mehr abrupt in eine ebenfalls in sich wiederum im Wesentlichen homogen dotierte Heterojunction-Schicht übergeht, sondern dass die Dotierungskonzentration innerhalb der Absorberschicht sich hin zu der Grenzfläche zu der Heterojunction-Schicht ändert, vorzugsweise kontinuierlich. In der Absorberschicht herrscht somit in der Nähe von deren Oberfläche eine erhöhte Dotandenkonzentration.
  • Beispielsweise ist die für die Wirkungsweise einer Solarzelle optimale Dotandenkonzentration der Grunddotierung im eigentlichen Absorber typischerweise im Bereich von 1 × 1014 cm–3 bis 1 × 1016 cm–3, kann aber auch geringer sein, so dass der Absorber im Extremfall auch aus intrinsischem Material bestehen kann. An einer Oberfläche der Absorberschicht, die später die Grenzfläche zur benachbarten Heterojunction-Schicht oder, alternativ, zu einer zusätzlich dazwischen angeordneten intrinsischen Schicht bildet, wird lokal oder ganzflächig eine Schicht mit erhöhter und beispielsweise zur Grenzfläche hin zunehmender Dotierungskonzentration, mit einer maximalen Dotierungskonzentration beispielsweise im Bereich von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 ausgebildet. Die Dicke dieser vergleichsweise stark dotierten Schicht wird gering gewählt, beispielsweise kleiner als 2 μm, so dass die aufgrund der erhöhten Dotierung verstärkte Rekombination innerhalb des verhältnismäßig geringen Volumenanteils dieser Schicht am Gesamtvolumen des Absorbers keinen signifikanten Beitrag zur Gesamtrekombination in dem Absorber liefert.
  • Der sich durch das oberflächennahe Dotierprofil ergebende „Feldeffekt” führt allerdings dazu, dass eine Sorte der Ladungsträger, das heißt entweder die Löcher oder die Elektronen, von Oberflächen-Defektzuständen, wie sie beispielsweise an der Grenzfläche zwischen der Absorberschicht und der Heterojunction-Schicht auftreten, ferngehalten werden. Dieser Effekt wird auch als „Feldeffektpassivierung” bezeichnet und impliziert eine physikalische Beschreibung der effektiven Oberflächenpassivierung, die auf einem elektrischen Feld basiert. Die Oberflächen-nahe hohe Dotierung führt dabei zu einer entsprechenden Bandverbiegung, die ein dementsprechendes Oberflächen-nahes elektrisches Feld bewirkt, das wiederum eine Sorte der Ladungsträger davon abhält, die Oberfläche und die dort befindlichen Rekombinationszentren zu erreichen.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine solche „Feldeffektpassivierung” vorteilhaft bei der Ausbildung bzw. Herstellung von Heterojunction-Solarzellen verwendet werden kann. Dadurch, dass aufgrund des Feldeffekts Ladungsträger von der Grenzfläche zwischen Absorberschicht und Heterojunction-Schicht ferngehalten werden können, können geringere Anforderungen an die Passivierungseigenschaften der Heterojunction-Schicht bzw. an die Qualität der Grenzfläche gestellt werden. Während bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen, wie sie beispielsweise in 1a gezeigt sind, sowohl die Rekombination aufgrund von Störstellen an der Grenzfläche zwischen der Absorberschicht und der Heterojunction-Schicht wie auch die Rekombination innerhalb des Volumens der Heterojunction-Schicht wesentlichen Einfluss auf die Gesamteigenschaften der jeweiligen Heterojunction-Solarzelle und insbesondere auf ihre offene-Klemmen-Spannung, haben, sind diese Einflüsse bei der hier vorgeschlagenen Heterojunction-Solarzelle stark abgemildert. Die innerhalb der Absorberschicht generierten Ladungsträger können aufgrund des Feldeffekts, der durch die Oberflächen-nahe starke Dotierung bewirkt wird, größtenteils nicht mehr zur Oberfläche des Absorbers diffundieren und an den dort befindlichen Rekombinationszentren rekombinieren. Die Anforderung bezüglich einer sehr geringen Oberflächenrekombination an der Grenzfläche zwischen der Absorberschicht und der Heterojunction-Schicht, wie sie herkömmlicherweise hauptsächlich dadurch erreicht werden sollen, dass möglichst wenige Rekombinationszentren sowohl an der Grenzfläche wie auch innerhalb der Heterojunction-Schicht bestehen sollen, was wiederum dadurch erreicht werden kann, dass die Heterojunction-Schicht möglichst defektfrei – und somit langsam und kostenintensiv – abgeschieden werden sollte oder eine zusätzlich intrinsische Schicht zwischen die Absorberschicht und die Heterojunction-Schicht zwischengelagert werden sollte, können somit vermindert werden.
  • Daher erscheint es bei den hier vorgeschlagenen Heterojunction-Solarzellen möglich, die derzeit bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen meist integrierte, zwischengelagerte intrinsische Schicht weglassen zu können oder zumindest dünner ausgestalten zu können, ohne dass es zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle käme. Dies kann dazu beitragen, dass der bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen aufgrund der zwischengelagerten intrinsischen Schicht auftretende Serienwiderstand wegfallen würde bzw. verringert würde, was zu einer Steigerung des Füllfaktors und damit des Wirkungsgrades der Solarzelle führen kann.
  • Ein weiterer vorteilhafter Effekt bei der hierin beschriebenen Heterojunction-Solarzelle kann in dem folgenden Umstand gesehen werden. Bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen, bei denen die Heterojunction-Schicht als Emitter und die Absorberschicht als Basis ausgestaltet sind, befindet sich die am entstehenden pn-Übergang sich ausbildende Raumladungszone, in der die Elektronen- und Löcherkonzentration sich einander entsprechen, im Bereich der Grenzfläche zwischen der Absorberschicht und der Heterojunction-Schicht. Die an dieser Grenzfläche quasi unvermeidlich auftretenden Grenzflächendefektzustände liegen daher in der gegenüber Rekombination besonders empfindlichen Raumladungszone. Bei der hier vorgestellten Heterojunction-Solarzelle wird jedoch die Position des pn-Übergangs von derjenigen der Heterojunction entkoppelt. Der Emitter wird hierbei nämlich nicht lediglich durch die Heterojunction-Schicht gebildet, sondern zusätzlich auch durch die in die Absorberschicht Oberflächen-nah eingebrachte dotierte Schicht, die in dieser speziellen Ausgestaltung ebenfalls einen Teil des Emitters bildet. Der eigentliche pn-Übergang wird somit in den Defekt-armen Bereich der Absorberschicht verlagert.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle werden im Anschluss erläutert.
  • Die Absorberschicht kann eine beliebige Schicht aus in einer Grunddotierung dotiertem Silizium sein. Dabei kann die Grunddotierung z. B. in einem Bereich von 1016 cm–3 sein, sie kann aber auch geringer sein, im Extremfall sogar so gering, beispielsweise Bereich von 1013 cm–3, dass von intrinsischem Silizium ausgegangen werden kann. Die Absorberschicht kann in Form eines Siliziumwafers bereitgestellt sein. Alternativ kann die Absorberschicht auch als Silizium-Dünnschicht bereitgestellt sein. Die Absorberschicht weist eine Dicke derart auf, dass ein wesentlicher Anteil von eingestrahltem Licht, insbesondere Sonnenlicht, innerhalb der Absorberschicht absorbiert wird. Beispielsweise kann die Absorberschicht eine Dicke von mehr als 5 μm, vorzugsweise mehr als 20 μm und, im Falle eines Siliziumwafers, vorzugsweise mehr als 100 μm aufweisen.
  • Die Absorberschicht kann mit beliebigen Dotanden dotiert sein. Beispielsweise kann das Silizium der Absorberschicht mit Bor dotiert sein, so dass sich p-Typ-Silizium ergibt. Alternativ kann Phosphor eindotiert werden, so dass sich n-Typ-Silizium ergibt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Absorberschicht kristallines Silizium, auch als c-Si bezeichnet, auf. Es können dabei verschiedene Kristallinitäten wie zum Beispiel monokristallines, multikristallines oder polykristallines Silizium verwendet werden. Kristallines Silizium hat, im Vergleich beispielsweise zu amorphem Silizium, eine geringe Dichte an Störstellen, die als Rekombinationszentren wirken könnten, und weist somit eine hohe elektronische Qualität auf.
  • Die Heterojunction-Schicht unterscheidet sich von der Absorberschicht insbesondere hinsichtlich des für sie verwendeten dotierten Halbleitermaterials. Die Bandlücke des Halbleitermaterials der Heterojunction-Schicht unterscheidet sich von derjenigen des Siliziums der Absorberschicht. Dieser Unterschied kann sowohl in der Größe der Bandlücke als auch in der energetischen Lage der Bandlücke, beispielsweise bezogen auf das Fermi-Energieniveau, bestehen. In der Regel ist die Bandlücke der Heterojunction-Schicht größer als diejenige der Absorberschicht. Dementsprechend kann das Halbleitermaterial der Heterojunction sowohl Silizium aufweisen, allerdings mit einer anderen Dotierung als das Silizium der Absorberschicht oder mit einer anderen Struktur oder Kristallinität, oder es kann völlig andere Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Germanium, Galliumarsenid, etc. aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Heterojunction-Schicht amorphes Silizium auf. Solches amorphes Silizium weist eine größere Bandlücke (Egap = 1,5–2,1 eV je nach Herstellung) auf als diejenige von kristallinem Silizium (Egap = 1,1 eV). Insbesondere wenn die Heterojunction-Schicht als Emitterschicht mit einer an der Absorberschicht entgegengesetzten Dotierung ausgebildet wird, kann sich die Verwendung von amorphem Silizium vorteilhaft auf die offene-Klemmen-Spannung der Solarzelle auswirken. Alternativ kann sich auch das Ausbilden eines BSF mittels einer Heterojunction-Schicht aus amorphem Silizium vorteilhaft auf die offene-Klemmen-Spannung wirken.
  • Es können eine oder mehrere Heterojunction-Schichten an verschiedenen Teiloberflächen der Absorberschicht vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine als Emitter dienende Heterojunction-Schicht an einer Vorderseite und/oder alternativ an einer Rückseite der Absorberschicht angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine als BSF dienende Heterojunction-Schicht an Teiloberflächen der Absorberschicht angeordnet sein. Die Dicke der Heterojunction-Schicht kann dabei wesentlich geringer sein als die Dicke der Absorberschicht und beispielsweise weniger als 1 μm, vorzugsweise weniger als 100 nm und stärker bevorzugt im Bereich von 5–50 nm betragen.
  • Die Absorberschicht unterscheidet sich von derjenigen, wie sie bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen verwendet wird, unter anderem dadurch, dass an einer zu der Heterojunction-Schicht gerichteten Grenzfläche zusätzliche Dotanden eingebracht sind, um eine dotierte Schicht, deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht, zu erzeugen. Die stärker dotierte Schicht ist somit Teil der Absorberschicht, weist aber eine höhere Dotandenkonzentration auf als der Rest der Absorberschicht. Der Dotandentyp und die Dotandenkonzentration kann dabei so gewählt sein, dass sich im Bereich des Dotierprofils der gleiche Halbleitertyp einstellt wie in der Heterojunction-Schicht. Dies bedeutet mit anderen Worten, wenn die Heterojunction-Schicht beispielsweise als Emitterschicht mit einem der Absorberschicht entgegengesetzten Halbleitertyp ausgebildet ist, können an der Grenzschicht zwischen Absorberschicht und Heterojunction-Schicht zusätzliche Dotanden derart eingebracht werden, dass beispielsweise die homogene Grunddotierung der Absorberschicht lokal im Bereich der Grenzfläche überkompensiert wird und sich somit dort ein Emitter-artiges Dotierprofil einstellt. Alternativ kann, wenn die Heterojunction-Schicht beispielsweise als BSF mit einer der Absorberschicht vom Halbleitertyp her entsprechenden Dotierung ausgebildet ist, lediglich die Grunddotierung der Absorberschicht lokal im Bereich der Grenzschicht erhöht werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die dotierte Schicht innerhalb der Absorberschicht eine maximale Dotandenkonzentration von zwischen 1 × 1017 cm–3 und 1 × 1020 cm–3, vorzugsweise von 1 × 1018 cm–3 und 1 × 1019 cm–3 auf. Eine solche maximale Dotandenkonzentration kann einerseits dazu führen, dass aufgrund des entstehenden Feldeffekts im Innern der Absorberschicht generierte Ladungsträger von der Grenzfläche zur Heterojunction-Schicht ferngehalten werden, andererseits ist die Dotandenkonzentration niedrig genug, so dass die zusätzliche Ladungsträgerrekombination, wie sie in stark dotierten Halbleiterbereichen auftritt, gering gehalten wird, insbesondere die Tiefe des Dotierprofils gering genug gehalten wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die dotierte Schicht ein Dotierprofil (23, 25) mit einer in einer Richtung von der Grenzfläche weg gerichtet abnehmenden Dotandenkonzentration auf. Mit anderen Worten ist die Dotierung in einem Bereich weiter im Innern der Absorberschicht geringer als weiter zu deren Oberfläche hin.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die dotierte Schicht ein Dotierprofil auf, wie es durch Diffusionsprozesse erzeugt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Dotandenkonzentration in einer Richtung weg von der Grenzfläche in einer Weise abnimmt, wie dies typisch ist bei durch Eindiffundieren von Dotanden erzeugten Diffusionsprofilen. Solche Dotierprofile sind einerseits mit Standardtechniken in Siliziumwafern einfach herzustellen und haben sich andererseits aufgrund ihrer vorteilhaften elektronischen Eigenschaften seit langem bei der Herstellung von Homojunction-Solarzellen bewährt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die dotierte Schicht eine Tiefe von weniger als 3 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm und stärker bevorzugt weniger als 0,5 μm auf. Das Dotierprofil kann somit eine Dicke bzw. Tiefe aufweisen, die wesentlich geringer ist als die Dicke der Absorberschicht und die weiterhin bevorzugt auch geringer ist als die Dicke der Heterojunction-Schicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung grenzt die Heterojunction-Schicht direkt an die Absorberschicht an. Wie weiter oben beschrieben, wurde bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen häufig eine intrinsische Halbleiterschicht zwischen die Absorberschicht und die Heterojunction-Schicht zwischengelagert, um Rekombinationsverluste an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten zu vermindern. Aufgrund des hier vorgeschlagenen Dotierprofils im Grenzflächen-nahen Bereich der Absorberschicht und des damit verbundenen Feldeffektes kann bei der vorgeschlagenen Heterojunction-Solarzelle vorteilhafterweise jedoch auf das Vorsehen einer zusätzlichen Schicht aus intrinsischem Halbleitermaterial verzichtet werden, ohne dass es zu wesentlichen Verlusten im Solarzellen-Wirkungsgrad aufgrund von Grenzflächen-Rekombination käme. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass ergänzend zusätzlich eine zwischen die Heterojunction-Schicht und die Absorberschicht zwischengelagerte Schicht aus intrinsischem Halbleitermaterial vorgesehen sein kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Heterojunction-Solarzelle vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Absorberschicht aus im Wesentlichen in einer Grunddotierung homogen dotiertem Silizium; Einbringen von Dotanden in die Absorberschicht zur Erzeugung einer dotierten Schicht, deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht; und Abscheiden einer Heterojunction-Schicht aus einem dotierten Halbleitermaterial, dessen Bandlücke sich von derjenigen des Siliziums der Absorberschicht unterscheidet, an der Oberfläche der Absorberschicht.
  • Die Formulierung „im Wesentlichen homogen dotiertes Silizium” für die Absorberschicht kann hierbei derart verstanden werden, dass das Silizium, das als Grundmaterial für die Absorberschicht verwendet wird, nicht gezielt mit einem Dotierprofil versehen sein soll. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass die Dotandenkonzentration innerhalb des für die Absorberschicht verwendeten Siliziums lokal geringfügig variiert, wie dies insbesondere aufgrund von äußeren und intrinsischen Einflüssen bei der Herstellung des Siliziums teilweise unvermeidbar ist. Beispielsweise sollte die Dotandenkonzentration innerhalb des im Wesentlichen homogen dotierten Siliziums um nicht mehr als eine Größenordnung schwanken.
  • Die Dotanden zur Erzeugung der Oberflächen-nahen stärker dotierten Schicht innerhalb der Absorberschicht können auf verschiedene Arten eingebracht werden. Vorzugsweise werden die Dotanden durch Eindiffundieren eingebracht. Hierzu können Dotanden beispielsweise in gasförmiger, flüssiger oder fester Form in die Nähe der Oberfläche der Absorberschicht gebracht werden und bei erhöhten Temperaturen in das Material der Absorberschicht oberflächlich eindiffundiert werden.
  • Nachdem das zusätzliche Dotierprofil erzeugt wurde, kann dann die Heterojunction-Schicht insbesondere dort, wo zuvor die zusätzlichen Dotanden eingebracht wurden, an der Oberfläche der Absorberschicht abgeschieden werden. Dies kann mit Hilfe beliebiger Beschichtungs- oder Epitaxie-Verfahren, wie zum Beispiel chemischer Gasphasenabscheidung (CVD – chemical vapour deposition), insbesondere Plasmaunterstützter CVD (PECVD – plasma enhanced CVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD – physical vapour deposition) oder Flüssigphasenepitaxie (LPE – liquid phase epitaxy) geschehen.
  • Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Heterojunction-Solarzelle 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 Heterojunction-Solarzelle übertragen werden können und umgekehrt. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 1a zeigt in Querschnittsdarstellung eine herkömmliche Heterojunction-Solarzelle.
  • 1b zeigt das Dotierprofil der in 1 dargestellten Heterojunction-Solarzelle.
  • 2a zeigt in Querschnittsdarstellung eine weitere herkömmliche Heterojunction-Solarzelle mit integrierten intrinsischen Halbleiterschichten.
  • 2b zeigt das Dotierprofil der in 2a dargestellten Heterojunction-Solarzelle.
  • 3a zeigt in Querschnittsdarstellung eine Heterojunction-Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3b zeigt das Dotierprofil der in 3a dargestellten Heterojunction-Solarzelle.
  • 4a zeigt in Querschnittsdarstellung eine Heterojunction-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit integrierten intrinsischen Halbleiterschichten.
  • 4b zeigt das Dotierprofil der in 4a dargestellten Heterojunction-Solarzelle.
  • Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind ähnliche oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 3a zeigt eine Heterojunction-Solarzelle 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Absorberschicht 3 aus kristallinem Silizium ist, wie in dem in 3b dargestellten Diffusionsprofil schematisch dargestellt, in einem zentralen Bereich 21 homogen p-Typ-artig dotiert. In Oberflächen-nahen Bereichen ist zusätzlich eine dotierte Schicht 23, 25 mit einem Dotierprofil eingebracht. Wie in 3b klar zu erkennen und auch durch die Art der Schraffierung in 3a schematisch dargestellt, nimmt die Dotandenkonzentration C jeweils von der Grenzfläche 13, 15 der Absorberschicht 3 weg und hin zum Innern der Absorberschicht 3 gerichtet ab. Die in 3b (und 1b, 2b und 4b) gewählte Art der Darstellung der Dotierungskonzentration ist so zu verstehen, dass nach links vom Zentrum des Graphen die Dotierkonzentration des einen Typs (beispielsweise n-Typ) dargestellt wird und nach rechts von Zentrum des Graphen die Dotierkonzentration des anderen Typs. Der Dotierungstyp ist dabei in 3 und 3b im vorderseitigen Bereich 23 dem Dotierungstyp im zentralen Bereich 21 entgegengesetzt und weist somit gegenüber dem Basis-artigen zentralen Bereich 21 Emitter-artige Eigenschaften auf. Der Dotierungstyp im rückseitigen Bereich 25 entspricht demjenigen des zentralen Bereichs 21, so dass dort eine BSF-artiger Bereich gebildet wird.
  • Beispielsweise kann der homogen dotierte zentrale Bereich 21 bereits während der Herstellung des Absorbers, beispielsweise in Form eines kristallinen Siliziumwafers, mit Bor dotiert werden, wohingegen die zusätzlichen dotierten Bereiche 25, 23 durch nachträgliches Eindiffundieren von zusätzlichem Bor bzw. Phosphor erzeugt werden können. Auch im Wesentlichen nicht-dotierte Absorber sind einsetzbar.
  • An die Grenzflächen 13, 15 des Absorbers 3 sind sowohl an der Vorderseite wie auch an der Rückseite Heterojunction-Schichten 5, 7 angelagert. Diese Schichten weisen jeweils eine in sich weitgehend homogene Dotierungskonzentration auf, der Dotierungstyp der jeweiligen Heterojunction-Schicht 5, 7 entspricht demjenigen Dotierungstyp, wie er an der jeweiligen Grenzfläche der Absorberschicht 3, an der die Heterojunction-Schicht 5, 7 angelagert ist, herrscht. Die Dotandenkonzentration innerhalb der vorderseitigen, Emitter-artigen Heterojunction-Schicht 5 ist wesentlich größer als die oberflächliche Dotandenkonzentration innerhalb des angrenzenden Bereichs 23 des in die Absorberschicht 3 eingebrachten Dotierprofils. Entsprechendes gilt für die an der Rückseite angeordnete, Basis-artige Heterojunction-Schicht 7.
  • Bei der in 4a/b gezeigten Heterojunction-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an der Vorderseite zwischen der Absorberschicht 3 und der Emitter-artigen Heterojunction-Schicht 5 eine zusätzliche intrinsische Schicht 9 zwischengelagert. Ferner ist an der Rückseite zwischen die Absorberschicht 3 und die Basis-artige Heterojunction-Schicht 7 eine zusätzliche intrinsische Schicht 11 zwischengelagert. Die intrinsischen Schichten 9, 11 können zu einer weiteren Reduzierung von Rekombinationsverlusten im Bereich des Übergangs von der Absorberschicht 3 hin zu einer der Heterojunction-Schichten 5, 7 beitragen. Ihr positiver Einfluss dürfte jedoch aufgrund des durch innerhalb der Absorberschicht 3 vorgesehenen zusätzlichen Dotierprofils und des durch dieses bewirkten Feldeffekts geringer sein als bei herkömmlichen Heterojunction-Solarzellen, wie sie beispielsweise in 2a dargestellt sind.
  • Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „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 einschränken.

Claims (13)

  1. Heterojunction-Solarzelle (1), aufweisend: eine Absorberschicht (3) aus Silizium mit einer Grunddotierungskonzentration; eine Heterojunctionschicht (5, 7) aus einem dotierten Halbleitermaterial, dessen Bandlücke sich von derjenigen des Siliziums der Absorberschicht (3) unterscheidet; wobei die Absorberschicht (3) an einer zu der Heterojunctionschicht (5, 7) gerichteten Grenzfläche eine dotierte Schicht (23, 25) aufweist, deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die Absorberschicht (3) kristallines Silizium aufweist.
  3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heterojunctionschicht (5, 7) amorphes Silizium aufweist.
  4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dotierte Schicht (23, 25) innerhalb der Absorberschicht (3) eine maximale Dotandenkonzentration von zwischen 1 × 1017 cm–3 und 1 × 1020 cm–3 aufweist.
  5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dotierte Schicht (23, 25) ein Dotierprofil mit einer in einer Richtung von der Grenzfläche weg gerichtet abnehmenden Dotandenkonzentration aufweist.
  6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dotierte Schicht (23, 25) ein sich durch Diffusionsprozesse ergebendes Dotierungssprofil aufweist.
  7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dotierte Schicht (23, 25) eine Tiefe von weniger als 2 μm aufweist.
  8. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Heterojunctionschicht (5, 7) direkt an die Absorberschicht (3) angrenzt.
  9. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen die Heterojunctionschicht (5, 7) und die Absorberschicht (3) eine intrinsische Schicht (9) zwischengelagert ist.
  10. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Heterojunctionschicht (5, 7) und die dotierte Schicht (23, 25) der Absorberschicht (3) den gleichen Halbleitertyp aufweisen.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Heterojunction-Solarzelle (1), wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Absorberschicht (3) aus im Wesentlichen mit einer Grunddotierung homogen dotiertem Silizium; Einbringen von Dotanden in die Absorberschicht zur Erzeugung einer dotierten Schicht (23, 25), deren Dotierungskonzentration höher ist als die Grunddotierungskonzentration der Absorberschicht; Abscheiden einer Heterojunctionschicht (5, 7) aus einem dotierten Halbleitermaterial, dessen Bandlücke sich von derjenigen des Siliziums der Absorberschicht (3) unterscheidet, an der Oberfläche der Absorberschicht (3).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die dotierte Schicht (23, 25) mit einem Dotierprofil mit einer in einer Richtung von einer Oberfläche der Absorberschicht (3) weg gerichtet abnehmenden Dotandenkonzentration erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Dotanden durch Eindiffundieren eingebracht werden.
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