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Die Erfindung betrifft eine einseitig kontaktierbare Solarzelle.
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Solche Solarzellen weisen sowohl den positiven, als auch den negativen Kontakt an einer Metallisierungsseite der Solarzelle auf, sodass eine Verschaltung der Solarzelle beispielsweise in einem Solarzellenmodul lediglich über die Metallisierungsseite erfolgt.
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Dies weist insbesondere dann Vorteile auf, wenn die Metallisierungsseite die Rückseite der Solarzelle ist, da auf diese Weise Abschattungen aufgrund der zur elektrischen Verschaltung notwendigen Metallisierungen nicht auf der zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Vorderseite der Solarzelle notwendig sind und somit die Effizienz der Solarzelle aufgrund geringerer Abschattungsverluste erhöht wird.
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Typische bekannte Solarzellenstrukturen, die beide Kontakte auf einer Seite aufweisen, sind die MWT-Solarzelle (
EP 0985233 A1 ), die EWT-Solarzelle (
US 5468652 A ), die RSK-Solarzelle (
US 5053083 A ) und die PUM-Solarzelle (J. H. Bultmann, „Interconnection through vias for improved effciency and easy module manufactoring of crystalline silicon solar cells” erschienen 2001 in Solar Energy Materials & Solar Cells 65 (2001) 339–345).
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Zur Verschaltung dieser bekannten Solarzellenstrukturen in einem Modul sind unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt. Typischerweise wird an der Rückseite die Metallisierung für den positiven und die Metallisierung für den negativen Kontakt derart ausgeführt, dass an zwei einander gegenüberliegenden Randbereichen jeweils eine breite Metallisierungsfläche einerseits des positiven und auf der anderen Seite des negativen Kontakts der Solarzelle angeordnet werden. Hierdurch können im Solarzellenmodul nebeneinander liegende Solarzellen durch streifenartige Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden werden und eine gewünschte Hintereinanderschaltung oder Reihenschaltung der Solarzelle realisiert werden.
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Die
WO 2006/123938 A1 beschreibt eine Solarzelle und ein Verfahren zur Verschaltung von Solarzellen. Die Solarzelle weist hierbei die Kontakte beider Polaritäten auf einer Seite auf, wobei diese derart angeordnet sind, dass durch linienartige Zellverbinder jeweils zwei benachbart angeordnete Solarzellen derart elektrisch leitend verbindbar sind, dass Kontakte einer ersten Polarität mit den Kontakten einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Polarität der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden sind.
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Die
US 4,590,327 A beschreibt eine Solarzelle, welche eine Metallisierungsstruktur mit mehreren doppelkammartigen Einzelelementen aufweist, zur Reduzierung des Serienwiderstandes bei der Abführung von Ladungsträgern mittels der Metallisierungsstruktur. Die doppelkammartigen Einzelelemente der Metallisierungsstruktur weisen hierbei einen metallischen Verbindungssteg auf, dessen Querschnitt in Richtung des zunehmenden Stromflusses ebenfalls zunimmt.
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Problematisch bei den bekannten Lösungen ist, dass die Metallisierungsstrukturen auf der Metallisierungsseite der Solarzellen gleichzeitig für die Solarzellenstruktur an sich und für die Abführung der Ladungsträger und die Verschaltung der Solarzellen im Modul optimiert werden müssen.
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Da hierbei jedoch teilweise gegensätzliche Optimierungsbedingungen vorliegen, treten typischerweise in der Halbleiterstruktur und/oder der Metallisierungsstruktur der Solarzelle Verluste, insbesondere Serienwiderstandsverluste auf, die zu einer Verringerung der Effizienz der Solarzelle führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen, bei der für einseitig kontaktierbare Solarzellen das Optimierungspotential hinsichtlich der Effizienz besser ausnutzbar ist unter Berücksichtigung einer kostengünstigen und effizienten Verschaltung der Solarzelle in einem Solarzellenmodul.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Solarzelle gemäß Anspruch 1 und durch ein Solarmodul gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 2 bis 6.
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Die erfindungsgemäße Solarzelle umfasst ein Halbleitersubstrat mit einer Vorder- und einer Rückseite sowie eine erste und mindestens eine zweite metallische Kontaktstruktur. Das Halbleitersubstrat weist mindestens einen ersten Dotierbereich eines ersten Dotierungstyps und mindestens einen zweiten Dotierbereich eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps auf. Dotierungstypen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung. Der erste und der zweite Dotierungstyp sind zumindest teilweise aneinandergrenzend angeordnet, zur Ausbildung eines pn-Übergangs.
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Typischerweise ist der erste Dotierbereich n-dotiert und der zweite Dotierbereich p-dotiert. Ebenso liegt jedoch auch eine Vertauschung der Dotierungstypen im Rahmen der Erfindung.
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Beide Kontaktstrukturen sind an einer Metallisierungsseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Die Metallisierungsseite ist die Vorder- oder die Rückseite der Solarzelle.
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Die erste Kontaktstruktur ist mit dem ersten Dotierbereich elektrisch leitend verbunden und entsprechend die zweite Kontaktstruktur mit dem zweiten Dotierbereich.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden bei der Bezeichnung „elektrisch leitend verbunden” solche Ströme oder Rekombinationen vernachlässigt, die an oder über einen pn-Übergang auftreten. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind somit die beiden Dotierbereiche nicht über den pn-Übergang elektrisch leitend verbunden und entsprechend ist die erste Kontaktstruktur nicht mit dem zweiten Dotierbereich und die zweite Kontaktstruktur nicht mit dem ersten Dotierbereich elektrisch leitend verbunden.
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Wesentlich ist, dass die Solarzelle weiterhin eine erste und mindestens eine zweite elektrisch leitende Verbindungsstruktur umfasst, die beide an der Metallisierungsseite der Solarzelle angeordnet sind.
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Die erste Kontaktstruktur ist zumindest teilweise von einer elektrisch nicht leitenden Isolierungsschicht bedeckt und diese Isolierungsschicht ist wiederum zumindest teilweise von der ersten Verbindungsstruktur bedeckt. Ebenso ist die zweite Kontaktstruktur zumindest teilweise von einer elektrisch nicht leitenden Isolierungsschicht bedeckt, welche wiederum zumindest teilweise von der zweiten Verbindungsstruktur bedeckt ist.
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Die erste Verbindungsstruktur ist mit der ersten Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden und die zweite Verbindungsstruktur ist mit der zweiten Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden.
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Ein wesentlicher Unterschied zu den bekannten Solarzellenstrukturen besteht somit darin, dass die erfindungsgemäße Solarzelle an der Metallisierungsseite ein Schichtsystem aufweist, welches in einer ersten Schicht die beiden Kontaktstrukturen, eine zwischengelagerte Isolierungsschicht und darüber angeordnet die beiden Verbindungsstrukturen aufweist. Die Isolierungsschicht bedeckt die Metallisierungsseite der Solarzelle nicht ganzflächig, sodass an den nicht durch die Isolierungsschicht bedeckten Teilen die elektrische Verbindung zwischen Kontaktstruktur und Verbindungsstruktur besteht.
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Vorteilhafterweise ist die Isolierungsschicht als eine Schicht mit Ausnehmungen ausgeführt. Ebenso liegt es jedoch auch im Rahmen der Erfindung, mehrere Isolierungsschichten an der Metallisierungsseite der Solarzelle anzuordnen, sodass der Kontakt zwischen Verbindungsstruktur und Kontaktstruktur zwischen den Grenzen der Isolierungsschichten erfolgt und/oder die Isolierungsschichten Ausnehmungen aufweisen, zum Verbinden von Kontaktstruktur und Verbindungsstruktur.
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Die Isolierungsschicht (welche gegebenenfalls aus mehreren nebeneinander angeordneten Isolierungsschichten besteht), die erste und die zweite Verbindungsstruktur sind somit integraler Bestandteil der Solarzelle.
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Hierdurch unterscheidet sich die erfindungsgemäße Solarzelle von bekannten Solarzellenstrukturen, bei denen eine metallische Verschaltungsstruktur Teil eines Solarzellenmoduls ist, d. h. die Fläche einer Vielzahl von Solarzellen abdeckt und einzelne Solarzellen auf diesen Bestandteil des Solarzellenmoduls aufgebracht werden.
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Die erfindungsgemäße Solarzelle weist hingegen an ihrer Metallisierungsseite als integralen Bestandteil die oben beschriebene Schichtstruktur Kontaktstruktur/Isolierungsschicht/Verbindungsstruktur auf.
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Vorteilhafterweise gehen die Isolierungsschicht, die erste und die zweite Verbindungsstruktur ihren Abmessungen parallel zur Metallisierungsseite nicht wesentlich über die Abmessungen der Solarzelle hinaus, insbesondere überspannen die Isolierungsschicht, die erste und die zweite Verbindungsstruktur somit eine Fläche, die maximal das 1,5-fache der Fläche der Metallisierungsseite beträgt, vorzugsweise kleiner oder gleich der Fläche der Metallisierungsseite ist.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Kontaktierungsstrukturen im Wesentlichen vollständig mit Isolierungsschicht bedeckt, bis auf lochartige Ausnehmungen der Isolierungsschicht. In den lochartigen Ausnehmungen grenzen die Verbindungsstrukturen unmittelbar an die jeweils zugeordneten Kontaktierungsstrukturen an, zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung.
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Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle sind die Verbindungsstrukturen derart ausgeführt, dass sie eine parallel zur Metallisierungsseite gegenläufig zu- und abnehmende Querschnittsfläche aufweisen. Ausgehend von einem ersten Randbereich der Solarzelle nimmt die Querschnittsfläche der ersten Verbindungsstruktur zu einem dem ersten Randbereich gegenüberliegenden zweiten Randbereich der Solarzelle ab, wohingegen die Querschnittsfläche der zweiten Verbindungsstruktur ausgehend von dem ersten Randbereich zu dem zweiten Randbereich hin zunimmt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Änderung der Querschnittsfläche linear mit dem Abstand von dem Randbereich zu- bzw. abnimmt.
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Vorteilhafterweise sind die Randbereiche derart ausgeführt, dass sie zum Aufbringen eines an sich bekannten Zellverbinders geeignet sind. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist es somit möglich, die erfindungsgemäße Solarzelle mit bereits bekannten Verschaltungsverfahren zu einem Solarzellenmodul zusammenzufassen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Solarzellenstruktur ist hierbei, dass die Anordnung und Ausgestaltung der Verbindungsstrukturen unabhängig von der Anordnung und Ausgestaltung der Kontaktstrukturen wählbar ist. Es kann somit die Kontaktstruktur hinsichtlich der Anordnung und Ausgestaltung der Dotierbereiche der Solarzelle optimiert werden und unabhängig hiervon die Verbindungsstruktur zur möglichst verlustfreien Abführung von Ladungsträgern zu Kontaktierungspunkten wie beispielsweise den zuvor genannten Randbereichen optimiert werden. Hierdurch ist gegenüber den vorbekannten Solarzellenstrukturen insbesondere eine weitere Verringerung von Serienwiderstandsverlusten erzielbar, sodass die Effizienz der Solarzelle gesteigert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens eine Kontaktstruktur zu mindest ein Lötpad auf und diese Kontaktstruktur ist derart mit Isolierungsschicht bedeckt, dass die Isolierungsschicht im Bereich des Lötpads eine Ausnehmung aufweist, sodass die zugeordnete Verbindungsstruktur unmittelbar an dem Lötpad angrenzt. Hierdurch ist eine einfache und dauerhafte elektrisch leitende Verbindung zwischen Verbindungsstruktur und Kontaktstruktur herstellbar.
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In einer weiteren vorteihaften Ausgestaltung weist die Solarzelle den strukturellen Grundaufbau einer an sich bekannten MWT-Solarzelle auf, wie beispielsweise in
EP 0985233 A1 beschrieben. Hierbei weist das Halbleitersubstrat Durchmetallisierungen auf, welche die Metallisierungsseite mittels einer metallischen Durchverbindung mit der gegenüberliegenden Seite der Solarzelle elektrisch leitend verbinden. Hierdurch ist es somit möglich, Ladungsträger beispielsweise von der Vorderseite der Solarzelle über die Durchmetallisierung zur als Metallisierungsseite ausgeführten Rückseite der Solarzelle zu führen und dort über eine an die Durchmetallisierung angrenzende erste Kontaktstruktur und die zugeordnete Verbindungsstruktur abzuleiten.
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Vorteilhafterweise ist hierbei die erste Kontaktstruktur derart mit Isolierungsschicht bedeckt, dass die Isolierungsschicht eine Ausnehmung in dem Bereich aufweist, an dem die Durchverbindung an die Kontaktstruktur angrenzt.
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Hierdurch ist eine direkte und mit nur geringen Serienwiderstandsverlusten versehene Ableitung der Ladungsträger aus der Durchverbindung gewährleistet.
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Vorteilhafterweise wird bei der vorgenannten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solarzelle mit dem Grundaufbau einer MWT-Solarzelle die erste Kontaktstruktur zusammen mit der Durchmetallisierung realisiert, derart, dass in einem Verfahrensschritt ausgehend von der Metallisierungsseite die erste Kontaktstruktur erzeugt wird und gleichzeitig die Löcher für die Durchmetallisierungen mit dem Material der ersten Kontaktstruktur gefüllt werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle umfasst einen Verfahrensschritt A, in dem eine erste und mindestens eine zweite metallische Kontaktstruktur auf eine Metallisierungsseite eines Halbleitersubstrates aufgebracht wird. Das Halbleitersubstrat weist wie vorhergehend beschrieben mindestens einen ersten Dotierbereich eines ersten Dotierungstyps und mindestens einen zweiten Dotierbereich eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps auf. Der erste und der zweite Dotierungstyp grenzen zumindest teilweise aneinander, zur Ausbildung eines pn-Übergangs.
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In einem Verfahrensschritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine elektrisch leitende Verbindung der ersten Kontaktstruktur mit dem ersten Dotierbereich und der zweiten Kontaktstruktur mit dem zweiten Dotierbereich erzeugt.
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Wesentlich ist, dass auf der ersten Kontaktstruktur eine elektrisch nicht leitende Isolierungsschicht aufgebracht wird, welche die erste Kontaktstruktur zumindest teilweise bedeckt und auf dieser Isolierungsschicht eine elektrisch leitende erste Verbindungsstruktur aufgebracht wird, die wiederum die Isolierungsschicht zumindest teilweise bedeckt. Ebenso wird auf der zweiten Kontaktstruktur eine elektrisch nicht leitende Isolierungsschicht aufgebracht, welche die zweite Kontaktstruktur zumindest teilweise bedeckt und auf dieser Isolierungsschicht wird eine elektrisch leitende zweite Verbindungsstruktur aufgebracht, welche wiederum diese Isolierungsschicht zumindest teilweise bedeckt.
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Die erste Verbindungsstruktur wird mit der ersten Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden und die zweite Verbindungsstruktur wird mit der zweiten Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden.
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Vorteilhafterweise gehen die Isolierungsschicht, die erste und die zweite Verbindungsstruktur in ihren Abmessungen nicht wesentlich über die Abmessungen der Solarzelle hinaus.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt i) in dem eine perforierte Isolierungsschicht auf die Metallisierungsseite der Solarzelle aufgebracht wird. Die Isolierungsschicht bedeckt die erste und die zweite Kontaktstruktur und wird derart aufgebracht, dass sich mindestens eine Perforierung im Bereich der ersten Kontaktstruktur und mindestens eine zweite Perforierung im Bereich der zweiten Kontaktstruktur befindet.
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In einem Verfahrensschritt ii) wird die erste und die zweite Verbindungsstruktur auf die Isolierungsschicht derart aufgebracht, dass die Verbindungsstrukturen im Bereich der Perforierungen durch die Isolierungsschicht hindurchdringen und unmittelbar an die Kontaktierungsstrukturen angrenzen.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit erstmals möglich aufgrund einer an der Metallisierungsseite der Solarzelle angeordneten Schichtstruktur die Kontaktstruktur hinsichtlich des Aufbaus des Halbleitersubstrates zu optimieren und gleichzeitig die Verbindungsstruktur hinsichtlich der Abführung der Ladungsträger zu den Kontaktierungspunkten mit einem externen Stromkreis insbesondere innerhalb eines Solarzellenmoduls zu optimieren.
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Vorteilhafterweise wird die Isolierungsschicht und/oder die Verbindungsstruktur mittels eines an sich bekannten Siebdruckverfahrens oder mittels Aufdampfen aufgebracht.
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Vorteilhafte Abmessungen der erfindungsgemäßen Solarzellenstruktur sind wie folgt:
Die Solarzelle weist vorteilhafterweise eine Kantenlänge zwischen 1 und 50 cm auf, insbesondere ist eine Kantenlänge zwischen 10 cm und 20 cm bei in etwa quadratischer Ausgestaltung der Solarzelle vorteilhaft.
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Die Dicke der Solarzelle ohne Isolierungsschicht und Verbindungsstrukturen liegt vorteilhafterweise zwischen 50 μm und 500 μm, insbesondere bei etwa 100 μm bis 300 μm.
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Die metallischen Kontaktstrukturen weisen vorteilhafterweise eine Dicke von 0,1 μm bis 100 μm auf. Die Isolierungsschicht weist vorteilhafterweise eine Dicke von 1 μm bis 1000 μm auf, insbesondere eine Dicke zwischen 10 μm und 100 μm. Die metallischen Verbindungsstrukturen weisen vorteilhafterweise eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 1000 μm auf.
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Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarzelle und des Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigen die 1 bis 5 schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Solarzelle, die auf einer MWT-Struktur basiert, die 6 eine schematische Darstellung der Verbindungen zweier erfindungsgemäßer Solarellen in einem Solarzellenmodul mittels Zellverbinder und 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle gemäß der 1 bis 5. Die 8 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle, die auf einer Rückseitenkontaktzellen-Struktur basiert.
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1 zeigt eine schematische Ansicht der Vorderseite der erfindungsgemäßen Solarzelle.
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Die erfindungsgemäße Solarzelle umfasst ein Halbleitersubstrat 1. Dieses ist an der Vorderseite ganzflächig durch den ersten Dotierbereich bedeckt, der als n-dotierter Emitter 2a ausgeführt ist.
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Die Vorderseite weist ferner eine aus mehreren Metallisierungsfingern bestehende Vorderseiten-Kontaktstruktur 3a auf. Diese Metallisierungsfinger sind mit dem Emitter 2a elektrisch leitend verbunden, sodass Ladungsträger aus dem Emitter 2a von den Metallisierungsfingern der Vorderseiten-Kontaktstruktur 3a abgeführt werden können.
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Die gestrichelten Kreise in 1 deuten Löcher in dem Halbleitersubstrat 1 an, welche in 1 senkrecht zur Zeichenebene das Halbleitersubstrat 1 durchdringen. In diesen Löchern befinden sich Durchmetallisierungen 7, welche für jeden Metallisierungsfinder der Vorderseitenkontaktstruktur 3a eine elektrische Verbindung zur Rückseite der erfindungsgemäßen Solarzelle darstellen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Rückseite der erfindungsgemäßen Solarzelle, welche die vorhergehend als Metallisierungsseite bezeichnete Seite der Solarzelle ist. Isolierungsschicht sowie n- und p-Verbindungsstruktur sind in 2 nicht dargestellt. Die Metallisierungsseite ist mittig durch eine erste Kontaktstruktur bedeckt, die als streifenförmige Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b ausgeführt ist. Die Kontaktstruktur 3b ist derart angeordnet, dass sie diejenigen Bereiche abdeckt, an denen die Durchmetallisierungen 7 auf die Rückseite der Solarzelle treffen, sodass die Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b über die Durchmetallisierung 7 mit den Metallisierungsfingern der Vorderseiten-Kontaktstruktur 3a elektrisch leitend verbunden ist und damit auch mit dem Emitter 2a.
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Die restliche Rückseite ist im Wesentlichen durch eine zweite Kontaktstruktur bedeckt, welche als Rückseiten-p-Kontaktstrukturen 3c ausgeführt ist.
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Auf den in 2 dargestellten Kontaktstrukturen 3b und 3c ist eine Isolierungsschicht 5 angeordnet, wie in 3 dargestellt. Die Isolierungsschicht 5 bedeckt im Wesentlichen die gesamte Rückseite der erfindungsgemäßen Solarzelle, lediglich an einzelnen Öffnungen 9 weist die Isolierungsschicht Ausnehmungen aus.
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Die Öffnungen 9 sind in drei Reihen angeordnet, wobei in 3 die oberste und die untere Reihe (9a und 9b) der Öffnungen 9 sich zu den Kontaktstrukturen 3c hin erstrecken, wohingegen die in 3 mittlere Reihe (9c) der Öffnungen 9 sich zu der Kontaktstruktur 3b hin erstrecken.
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Auf der in 3 dargestellten Isolierungsschicht sind bei der erfindungsgemäßen Solarzelle Verbindungsstrukturen angeordnet, wie in 4 schematisch dargestellt.
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Hierbei ist eine erste Verbindungsstruktur als in etwa dreiecksförmige n-Verbindungsstruktur 4a ausgeführt. Diese Verbindungsstruktur 4a ist derart angeordnet, dass sie sämtliche Öffnungen der mittleren Reihe (9c) der Isolierungsschicht bedeckt. Die n-Verbindungsstruktur 4a durchdringt dabei die Öffnungen der mittleren Reihe der Isolierungsschicht und ist somit mit der Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b elektrisch leitend verbunden und damit auch mit dem Emitter 2a.
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Eine zweite Verbindungsstruktur ist als p-Verbindungsstruktur 4b ausgeführt. Diese Verbindungsstruktur 4b bedeckt in etwa den restlichen Bereich der Rückseite der erfindungsgemäßen Solarzelle, wobei zwischen n-Verbindungsstruktur 4a und p-Verbindungsstruktur 4b ein nicht durch Verbindungsstruktur bedeckter Spalt verbleibt, der die elektrische Isolierung zwischen den Verbindungsstrukturen 4a und 4b gewährleistet.
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Die p-Verbindungsstruktur 4b bedeckt insbesondere sämtliche Öffnungen 9 der oberen und der unteren Reihe (9a und 9b) der Isolierungsschicht 5.
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Wie auch die n-Verbindungsstruktur, so durchdringt auch die p-Verbindungsstruktur 4b die von ihr bedeckten Öffnungen 9 der Isolierungsschicht 5 und ist somit mit den Rückseiten-p-Kontaktstrukturen 3c elektrisch leitend verbunden und hierdurch ebenso mit der Basis 2b.
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Vorteilhafterweise werden auf den Verbindungsstrukturen 4a und 4b zusätzlich so genannte „Lötpads” aufgebracht. Diese Lötpads sind metallische Flächen, vorzugsweise etwa kreisförmig, welche aufgrund ihrer Materialeigenschaft das elektrisch leitende Verbinden der Verbindungsstrukturen 4a und 4b jeweils über die Lötpads mit einem Zellverbinder vereinfachen.
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5 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Zeichenebene entlang der in 1 gestrichelt dargestellten Linie A. Das Halbleitersubstrat 1 ist an der Vorderseite im Wesentlichen ganzflächig durch den Emitter 2a bedeckt, bis auf die Löcher in dem Halbleitersubstrat 1, welche von den Durchmetallisierungen 7 ausgefüllt sind. Über der Durchmetallisierung 7 ist ein Metallisierungsfinger der Vorderseiten-n-Kontaktstruktur 3a im Längsschnitt dargestellt. An der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 ist die Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b in dem Bereich angeordnet, in dem die Durchmetallisierung 7 auf die Rückseite trifft. Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b, Durchmetallisierung 7 und Vorderseiten-n-Kontaktstruktur 3a grenzen unmittelbar aneinander an und sind elektrisch leitend verbunden.
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Der Emitter 2a erstreckt sich an den Lochwänden entlang der Durchmetallisierung 7 zur Rückseite des Halbleitersubstrats 1 und bedeckt die Rückseite in einem Bereich, der geringfügig größer ist als der durch die Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b bedeckte Bereich.
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Diejenigen Bereiche des Halbleitersubstrats 1, die nicht n-dotiert sind, d. h. nicht als Emitter 2a ausgeführt sind, stellen p-dotierte Bereiche dar und bilden somit die Basis 2b.
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Emitter 2a und Basis 2b grenzen unmittelbar aneinander an, sodass sich ein pn-Übergang ausbildet.
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An der Rückseite des Halbleitersubstrates 1 sind Rückseiten-p-Kontaktstrukturen 3c angeordnet, welche mit der Basis 2b elektrisch leitend verbunden sind.
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Wesentlich ist nun, dass die Kontaktstrukturen 3b und 3c durch die Isolierungsschicht 5 bedeckt sind, welche Ausnehmungen 9 aufweist.
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Durch diese Ausnehmungen stehen die über der Isolierungsschicht 5 angeordneten Verbindungsstrukturen 4a und 4b mit den Kontaktstrukturen 3b und 3c elektrisch leitend in Verbindung.
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Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle ist es somit möglich, wie beispielsweise in 5 dargestellt, die Kontaktstrukturen 3b und 3c dahingehend zu optimieren, dass eine optimale Einsammlung von Ladungsträgern aus dem Halbleitersubstrat 1, d. h. aus Emitter 2a und Basis 2b erfolgt.
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Die Verbindungsstrukturen 4a und 4b können demgegenüber, wie beispielsweise in 4 dargestellt, darauf optimiert werden, dass eine optimale Ableitung der in den Kontaktstrukturen 3b und 3c gesammelten Ladungsträgern zu den Rändern (in 4 der rechte und der linke Rand) der Solarzelle erfolgt.
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Durch die erfindungsgemäße Solarzelle können somit zwei Optimierungen unabhängig voneinander durchgeführt werden, sodass insgesamt die Effizienz der Solarzelle steigt.
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In 6 ist die Verbindung der in den 1 bis 5 dargestellten erfindungsgemäßen Solarzelle in einem Solarzellenmodul schematisch dargestellt. Im oberen Bereich ist hierbei eine Ansicht von unten, d. h. von der Metallisierungsseite her gezeigt und im unteren Bereich der 6 ist eine Seitenansicht schematisch dargestellt, bei der die Metallisierungsseite unten angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäßen Solarzellen werden auf der Rückseite mittels Zellverbindern 10 derart verbunden, dass eine n-Verbindungsstruktur 4a einer Solarzelle über Zellverbinder 10 mit der p-Verbindungsstruktur 4b einer daneben angeordneten Solarzelle elektrisch leitend verbunden werden, sodass die in einem Modul gewünschte Serienverschaltung der Solarzellen erfolgt, insbesondere über den Randbereich der Solarzelle.
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Die in 6 dargestellte Anordnung der Zellverbinder stellt eine typische bereits in der industriellen Fertigung realisierte Verschaltung von Solarzellen mittels Zellverbindern dar, sodass die erfindungsgemäße Solarzelle unmittelbar in bereits bestehenden industriellen Fertigungsprozessen ohne Abänderungsbedarf verwendet werden kann. In 6 sind die Zellverbinder mit rechteckiger Grundform dargestellt. Ebenso ist die Verwendung beliebiger anderer Zellverbinderformen denkbar, beispielsweise werden häufig Zellverbinder in Knochenform verwendet.
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7 stellt ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren dar, welches zur Herstellung der in den 1 bis 6 dargestellten Solarzelle dient.
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Hierzu werden in einem Verfahrensschritt 1 zunächst Löcher in ein Halbleitersubstrat gebohrt. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines Lasers.
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In einem Schritt 2 wird der Sägeschaden, der bei Herstellung des Halbleitersubstrates verbleibt, mittels eines Ätzvorgangs entfernt und gegebenenfalls wird an der für die Lichteinkopplung auszubildenden Vorderseite des Halbleitersubstrates eine Textur zur Erhöhung der Lichteinkopplung aufgebracht. Je nach verwendetem Prozess und je nach Anwendungsgebiet der Solarzelle kann es auch vorteilhaft sein, die Textur beidseitig, d. h. auf Vorder- und auf Ruckseite aufzubringen. Hierdurch kann sich der Prozess zur Herstellung der Solarzelle vereinfachen und/oder die Lichteinkopplungseigenschaften der Solarzelle können sich verbessern.
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Das Halbleitersubstrat weist eine homogene p-Dotierung auf.
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In einem Schritt 3 erfolgt die Diffusion des Emitters 2a, der sich über die gesamte Vorderseite, über die Lochwände und teilweise über die Rückseite erstreckt. Die Rückseite des Halbleitersubstrates ist wie in 5 dargestellt in den Bereichen von dem Emitter 2a bedeckt, an denen sich die Löcher befinden. Typischerweise wird in Schritt 3 die Diffusion beidseitig (d. h. an Vorder- und Rückseite) und vollflächig ausgeführt.
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Die Diffusion kann mittels an sich bekannter Diffusion aus der Gasphase nach Aufbringen einer Maskierungsschicht auf die Rückseite erfolgen, wobei die Maskierungsschicht mittels Photolithographie, vorzugsweise jedoch mittels Siebdrucktechnik aufgebracht wird. In diesem Fall ist Schritt 9 (Kanten- und Kontaktisolation) nicht notwendig.
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Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Diffusion mittels eines an sich bekannten Druckverfahrens einer Dotierungspaste und einem anschließenden Temperaturschritt durchzuführen, wobei die Dotierungspaste auf der Vorderseite ganzflächig und auf der Rückseite lediglich in den Bereichen wie in 5 dargestellt aufgebracht wird. Bei dem Druckverfahren durchdringt die Dotierungspaste ebenso die Löcher, sodass gleichzeitig die Dotierung der Lochwände stattfindet.
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In einem Schritt 4 wird eine Antireflexschicht auf die Vorderseite des Halbleitersubstrates aufgebracht, welche zusätzlich die Lichteinkopplung erhöht.
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In einem Schritt 5 erfolgt die Metallisierung der Durchmetallisierungen 7 sowie der Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b.
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In einem Schritt 6 wird die Metallisierung des p-Kontaktes durchgeführt, d. h. die Rückseiten p-Kontaktstruktur 3c wird mittels an sich bekannter Techniken, vorzugsweise mittels Siebdruck aufgebracht.
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In einem Schritt 7 erfolgt die Metallisierung der Vorderseiten-Kontaktstruktur 3a. Auch hier können an sich bekannte Metallisierungstechniken angewendet werden, vorteilhaft ist die Verwendung der an sich bekannten Siebdrucktechnik.
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Bezüglich der Schritte 5, 6 und 7 sind auch andere Reihenfolgen möglich.
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In einem Schritt 8 wird mittels eines Temperaturschritts ein so genanntes „Kontaktsintern” durchgeführt, d. h. der elektrische Kontakt zwischen den aufgebrachten Metallisierungen und den angrenzenden Dotierbereichen des Halbleitersubstrates wird hergestellt.
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In einem Schritt 9 werden die Kanten isoliert, um eine elektrische Isolierung der an den Kanten häufig vorliegenden Defekte wie Kurzschlüssen oder Rekombinationszentren zu erreichen. Ebenso wird in diesem Schritt eine Kontaktsisolation auf der Metallisierungsseite durchgeführt. In diesem Schritt wird der Emitter elektrisch vom p-Kontakt getrennt.
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Vorzugsweise erfolgt die Isolierung mittels einer so genannten „Laserisolation”, d. h. die Emitterbereiche werden linienartig mittels eines Lasers entfernt, um eine elektrische Isolierung der Emitterbereiche an diesen Linien zu erreichen.
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Wesentlich ist, dass in einem Verfahrensschritt 10 die Isolierungsschicht 5 gemäß den 1 bis 5 aufgebracht wird. Die Isolierungsschicht kann beispielsweise mittels Siebdrucktechnik derart aufgebracht werden, dass sie die gewünschten Ausnehmungen aufweist. Ebenso ist es denkbar, die Isolierungsschicht zunächst ganzflächig aufzubringen und anschließend an den Stellen, an denen Ausnehmungen gewünscht sind, die Isolierungsschicht wieder abzutragen, beispielsweise mittels eines Lasers.
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In einem Schritt 11 werden die n-Verbindungsstruktur 4a und die p-Verbindungsstruktur 4b aufgebracht mit einem der vorhergehend beschriebenen Verfahren, vorzugsweise mittels Siebdruck oder Aufdampfen.
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Zur Modulverschaltung wird in einem Schritt 12 schließlich mittels Zellverbindern wie in 6 dargestellt, eine elektrische Verbindung benachbarter Zellen insbesondere über den Randbereich hergestellt.
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Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, Schritt 5 in Schritt 11 zu integrieren. In dieser Variante des erfindungsgemäßes Verfahrens wird somit in Schritt 11 bei Aufbringen der n-Verbindungsstruktur 4a über die Öffnungen 9 auch die Rückseiten-n-Kontaktstruktur 3b und die Durchmetallisierung 7 erzeugt. Hierbei wird ein elektrisch leitender Kontakt der Durchmetallisierung 7 mit der Vorderseitenkontaktstruktur 3a erzeugt. Schritt 5 entfällt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die schematische Darstellung in 8 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Vorderseite eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche auf einer an sich bekannten Struktur einer Rückseitenkontaktzelle basiert.
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Der Grundaufbau dieser Solarzelle entspricht dem Aufbau der in den 1 bis 6 dargestellten Solarzelle und entsprechend zeichnen auch gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Die in 8 dargestellte Solarzellenstruktur weist jedoch lediglich an der Rückseite einen Emitter 2a auf und entsprechend fehlen die Vorderseiten-Kontaktstruktur 3a, die Löcher und die Durchmetallisierung 7 und die entsprechenden n-Dotierbereiche an der Vorderseite und an den Lochwänden.
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Die in 8 dargestellte Struktur wird ebenfalls mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 7 hergestellt, wobei Schritt 1 und Schritt 7 entfallen.
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Die Solarzellenstruktur gemäß 8 weist den Vorteil auf, dass sie weniger komplex verglichen mit der in den 1 bis 6 dargestellten Solarzellenstruktur ist und daher mit geringerem Aufwand und dadurch kostengünstiger herstellbar ist. Nachteilig ist, dass sich lediglich an der Rückseite n-dotierte Bereiche befinden. Dies kann zu einer geringeren Effizienz verglichen mit der in den 1 bis 6 dargestellten Solarzellenstruktur führen.
