DE102008034701B4 - Verfahren zur Herstellung von dünnen invertierten metamorphen Multijunction Solarzellen mit starrem Träger - Google Patents

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Abstract

Eine Multijunction-Solarzelle mit einer ersten Solar-Subzelle mit einem ersten Bandabstand; eine zweite Solar-Subzelle, angeordnet über der ersten Subzelle mit einem zweiten Bandabstand kleiner als der erste Bandabstand; eine Gradier-Zwischenschicht, angeordnet über der zweiten Subzelle mit einem dritten Bandabstand größer als der zweite Bandabstand; eine dritte Solar-Subzelle, angeordnet über der Zwischenschicht, und zwar Gitter-fehlausgerichtet oder missausgerichtet, bezüglich der mittleren Subzelle und mit einem vierten Bandabstand kleiner als der zweite Bandabstand; und entweder ein dünnes (annähernd 50-150 µm) Substrat und/oder ein starres Abdeckglas zum Tragen der ersten, zweiten und dritten Solar-Subzellen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Solarzellen-Halbleitervorrichtungen und insbesondere. auf integrierte Halbleiterstrukturen, angebracht auf einem starrem Träger, wie beispielsweise invertierte, metamorphe Solarzellen.
  • 2. Beschreibung verwandter Technik
  • Photovoltaische Zellen, die auch als Solarzellen bekannt sind, sind eine der wichtigsten neuen Energiequellen, die in den letzten Jahren verfügbar wurden. Beträchtliche Bemühungen wurden in die Entwicklung der Solarzelle gesteckt. Infolgedessen, werden Solarzellen derzeit in einer Anzahl von kommerziellen und verbraucherorientierten Anwendungen verwendet. Obwohl ein bedeutender Fortschritt auf diesem Gebiet zu verzeichnen ist, so hat die Verfügbarkeit von Solarzellen, die die Bedürfnisse komplizierter Anwendungsfälle befriedigen, nicht Schritt gehalten mit der Nachfrage. Anwendungen, wie beispielsweise bei Satelliten, die in Datenkommunikationssystemen eingesetzt werden, haben in dramatischer Weise die Nachfrage nach Solarzellen erhöht, die verbesserte Leistungs- und Energieumwandlungscharakteristika besitzen.
  • Bei Anwendungsfällen in Satelliten und anderen Verwendungen im Weltraum sind die Größe, die Masse, die Kosten eines Satellitenleistungssystems abhängig von der Leistungs- und Energieumwandlungseffizienz der verwendeten Solarzellen. Anders ausgedrückt: Die Größe der Nutzlast und die Verfügbar keit von bordseitigen Dienstleistungen sind proportional zur gelieferten Leistungsmenge. Wenn also die Nutzlasten komplizierter werden, so werden die Solarzellen zunehmend wichtiger, die als Leistungsumwandlungsvorrichtungen für bordseitige Leistungssysteme dienen.
  • Solarzellen werden oftmals in vertikalen Multijunction-Strukturen (Solarzellen mit Mehrfach-(pn)-Übergängen) hergestellt und in Horizontalanordnungen vorgesehen, wobei die individuellen Solarzellen miteinander in Serie geschaltet sind. Die Form und Struktur einer Anordnung sowie auch die Anzahl der Zellen, die die Anordnung enthält, werden teilweise durch die gewünschte Ausgangsspannung und den Strom bestimmt.
  • Gelegentlich besteht die Notwendigkeit die Dicke der Wafer und Vorrichtungen zu reduzieren. Beispielsweise vermindert bei Photodioden eine Reduktion der Dicke des Substrats den Wärmeleitungspfad und ermöglicht, dass die Photodiode mehr Licht bei hoher Geschwindigkeit verarbeitet. in photovoltaischen Vorrichtungen zur Anwendung im Weltraum bedeutet der Vorteil der Reduktion der Dicke eine Verminderung des Nutzlastgewichts beim Starten.
  • Ein Dünnen des Substrats bedeutet, dass andere Mittel zur Stützung oder Halterung der Vorrichtungsschichten während der Verarbeitung und im Gebrauch vorgesehen werden müssen. Auch wird sich jede Restspannung (aus Wachstum und thermischer Fehlanpassung, usw.) in den Vorrichtungsschichten als Krümmung der Schichten darstellen, was dadurch korrigiert werden kann, dass man eine Beanspruchung mit entgegengesetztem Vorzeichen in den Träger bezüglich der Schichten einschließt, wobei diese noch immer flexibel zur Anbringung an einer gekrümmte Oberfläche gehalten wird.
  • Invertierte metamorphe Solarzellenstrukturen, wie sie in US 6 951 819 B2 und M. W. Wanlass et al, mit dem Titel Lattice Mismatched Approaches for High Performance III–V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceeding of the 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Jan. 3–7, 2005, IEEE Press, 2005) beschrieben sind, sind wichtige neue Solarzellen strukturen und bieten eine Möglichkeit zum Dünnen des Substrats in einer Solarzelle. Die in diesem Stand der Technik beschriebenen Strukturen zeigen jedoch eine Anzahl von praktischen Schwierigkeiten, die sich auf die geeignete Auswahl der Materialien und Fabrikationsschritte beziehen.
  • Materialien und Fabrikationsschritte, offenbart im Stand der Technik bevor die vorliegende Erfindung gemacht wurde, waren nicht adäquat für die Erzeugung einer kommerziell erfolgreichen, herstellbaren und energieeffizienten Solarzelle.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 1. Ziele der Erfindung
  • Ein Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Multijunction-Solarzelle als verbesserte invertierte metamorphe Solarzelle vorzusehen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer invertierten metamorphen Solarzelle vorzusehen, und zwar als ein dünner Film oder eine dünne Schicht, angebracht auf einem dünnen Substrat von ungefähr 50–150 μm (2–6 mils) Dicke.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer invertierten metamorphen Solarzelle vorzusehen, und zwar als eine dünne Schicht oder einen dünnen Film, angebracht auf einem Abdeckglas.
  • Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine invertierte metamorphe Solarzelle als einen dünnen Film oder eine dünne Schicht vorzusehen, und zwar angebracht auf einem dünnen Substrat von ungefähr 50–150 μm (2–6 mils) Dicke.
  • Zusätzliche Ziele, und Vorteile der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus dieser Offenbarung einschließlich der folgenden, detail lierten Beschreibung und auch durch die Anwendung der Erfindung. Obwohl die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wird, ist klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Fachmann, der Zugriff zu den Lehren dieser Erfindung hat, wird zusätzliche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsbeispiele in anderen Gebieten erkennen, die innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen, wie diese hier offenbart und beansprucht ist, Gebiete, wo die Erfindung von Nutzen sein könnte.
  • 2. Merkmale der Erfindung
  • Kurz gesagt und allgemein ausgedrückt, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle gemäß Anspruch 1 vor.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle gemäß Anspruch 16 vor.
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine Multijunction-Solarzelle vor, und zwar einschließlich einer ersten Solar-Subzelle mit einem ersten Bandabstand (bandgap; Bandlücke); einer zweiten Solar-Subzelle, angeordnet über der ersten Subzelle und mit einem zweiten Bandabstand (bandgap; Bandlücke) kleiner als der erste Bandabstand; eine Gradierzwischenschicht, angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem dritten Bandabstand (bandgap; Bandlücke), der größer ist als der zweite Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine dritte Solar-Subzelle, angeordnet über der Zwischenschicht, die Gitter fehl ausgerichtet ist bezüglich der mittleren Subzelle und mit einem vierten Bandabstand (bandgap; Bandlücke) kleiner als der zweite Bandabstand (bandgap; Bandlücke); und ein starres Abdeckglas, welches die ersten, zweiten und dritten Solar-Subzellen trägt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Solarzellenanordnung vor, die Folgendes aufweist:
    • (i) eine erste Solarzelle einschließlich Folgendem: eine erste Solar-Subzelle mit einem ersten Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine zweite Solar-Subzelle, angeordnet über der erwähnten ersten Solar-Subzelle und mit einem zweiten Bandabstand (bandgap; Bandlücke) kleiner als der erste Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine Gradierzwischenschicht (Gradienten-Zwischenschicht), angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem dritten Bandabstand (bandgap; Bandlücke), größer als der erwähnte zweite Bandabstand; eine dritte Solar-Subzelle, angeordnet über der Zwischenschicht, deren Gitter fehl ausgerichtet ist, bezüglich der mittleren Subzelle und mit einem vierten Bandabstand (bandgap; Bandlücke) kleiner als der zweite Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine Metallkontaktschicht, angeordnet über der dritten Solar-Subzelle; und
    • (ii) eine zweite Solar-Subzelle einschließlich Folgendem: eine erste Solar-Subzelle mit einem ersten Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine zweite Solar-Subzelle, angeordnet über der erwähnten ersten Subzelle und mit einem zweiten Bandabstand (bandgap; Bandlücke), der kleiner ist als der erste Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine Gradierzwischenschicht (Gradienten-Zwischenschicht), angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem dritten Bandabstand (bandgap; Bandlücke), größer als der erwähnte zweite Bandabstand (bandgap; Bandlücke); eine dritte Solar-Subzelle, angeordnet über der Zwischenschicht, deren Gitten fehl ausgerichtet bezüglich der mittleren Subzelle ist, und die einen vierten Bandabstand (bandgap; Bandlücke) besitzt, der kleiner als der zweite Bandabstand (bandgap; Bandlücke) ist; und eine Metallkontaktschicht, angeordnet über der dritten Solar-Subzelle; und
    • (iii) einen Leiter, verbunden mit der Metallkontaktschicht der ersten Solarzelle zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen der ersten Solarzelle und der ersten Solar-Subzelle, der zweiten Solarzelle.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können besser verstanden und eingeschätzt werden unter Bezugnahme auf die folgende, detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:
  • 1 einen vergrößerten Querschnitt einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung am Ende des Verfahrensschrittes des Bildens oder Formens der Schichten der Solarzelle;
  • 2 einen Querschnitt der Solarzelle der 1 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung, in dem die Rückseitenkontaktmetallisierung aufgebracht wird;
  • 3 einen Querschnitt der Solarzelle der 2 nach dem nächsten Prozessschritt gemäß der Erfindung, in dem ein Klebemittel aufgebracht wird;
  • 4 einen Querschnitt der Solarzelle der 3 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem ein Surrogat-Substrat angebracht wird;
  • 5A einen Querschnitt der Solarzelle der 4 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem das Originalsubstrat entfernt wird;
  • 5B einen Querschnitt der Solarzelle der 5A mit dem Surrogat-Substrat, dargestellt am unteren Ende oder Boden der Figur;
  • 6A eine Draufsicht auf einen Wafer, in dem die Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden;
  • 6B eine Draufsicht von unten eines Wafers, in dem die Solarzellen gemäß der Erfindung hergestellt werden;
  • 7 eine Draufsicht auf den Wafer der 6B nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 8 einen Querschnitt der Solarzelle der 5B nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Pufferschicht weggeätzt wurde;
  • 9 einen Querschnitt der Solarzelle der 8 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung;
  • 10 einen Querschnitt der Solarzelle der 5 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 11 einen Querschnitt der Solarzelle der 10 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung
  • 12 einen Querschnitt der Solarzelle der 11 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der Erfindung, in dem eine Antireflex-Schicht (ARC) abgeschieden wurde;
  • 13 einen Querschnitt der Solarzelle der 12 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem eine Mesa-Ätzisolierung ausgeführt wurde;
  • 14A einen Querschnitt der Solarzelle der 13 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem das Surrogat-Substrat auf die gewünschte Dicke gedünnt wurde;
  • 14B einen Querschnitt der Solarzelle der 14A nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem ein Abdeckglas an die Solarzelle angeklebt oder zum Anhaften gebracht wird;
  • 15 einen Querschnitt eines Teils einer Solarzellenanordnung, und zwar die Solarzelle der 14 darstellend nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfin dung, in dem eine elektrische Verbindung von einer ersten Zelle zu einer benachbarten Solarzelle gemacht wird;
  • 16A einen Querschnitt der Solarzelle der 13 in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem nächsten Verfahrensschritt des Anbringens oder Anhaftens oder Anklebens eines Abdeckglases an die Struktur;
  • 16B einen Querschnitt der Solarzelle der 16A nach dem nächsten Verfahrensschritt des Entfernens des Substrats.
  • BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nunmehr einschließlich beispielhafter Aspekte und Ausführungsbeispiele davon beschrieben. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung sei bemerkt, dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden zur Identifikation der gleichen oder funktionsmäßig ähnlichen Elemente und wobei die Hauptmerkmale von beispielhaften Ausführungsbeispielen in einer außerordentlich vereinfachten schematischen Art und Weise veranschaulicht sind. Darüber hinaus beabsichtigen die Zeichnungen nicht jedes Merkmal eines tatsächlichen Ausführungsbeispiels darzustellen noch die relativen Dimensionen der dargestellten Elemente, wobei die Zeichnungen nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu sind.
  • 1 zeigt eine Multijunction-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung nach der Bildung der drei Subzellen A, B, C auf einem Substrat. Insbesondere ist Folgendes gezeigt: Ein Substrat 101, welches entweder Gallium-Arsenid (GaAs), Germanium (Ge) oder ein anderes geeignetes Material sein kann. Im Falle eines Ge-Substrates wird eine geeignete Keimbildungs- oder Nukleationsschicht 102 auf dem Substrat abgeschieden. Auf dem Substrat oder über der Keimbildungsschicht 102 werden ferner eine Pufferschicht 103 und eine Ätzstopschicht 104 abgeschieden. Eine Kontaktschicht 105 wird sodann auf der Schicht 104 abgeschieden und eine Fensterschicht 106 wird auf der Kontaktschicht abgeschieden. Die Subzelle A, bestehend aus einer n+- Emitterschicht 107 und einer p-Typ-Basisschicht 108 wird sodann auf der Fensterschicht 106 abgeschieden.
  • Es sei bemerkt, dass die Multijunction-Solarzellenstruktur auch durch irgendeine geeignete Kombination von Gruppe III bis V Elementen gebildet sein könnte, die in der periodischen Tabelle angegeben sind, und zwar unter Berücksichtigung der Gitter-Konstanten und der Bandabstand(bandgap; Bandlücke)-Erfordernisse, wobei die Gruppe III Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (T) enthält. Die Gruppe IV enthält Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn). Die Gruppe V umfasst Stickstoff (N), Phospor (P), Arsen (As) Antimon (Sb) und Wismuth (Bi).
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die n+-Emitterschicht 107 aus InGa(Al)P aufgebaut und die p-Typ-Basisschicht 108 ist aus InGa(Al)P aufgebaut. Der Al-Ausdruck in Klammern in der vorhergehenden Formel bedeutet, dass Al ein optionaler Bestandteil ist und in diesem Fall kann es in einer Menge im Bereich von 0% bis 30% verwendet werden.
  • Auf der Oberseite oder oben auf der Basisschicht 108 ist eine „Back-Surface-Field(„BSF”)-Schicht 109 abgeschieden, und zwar verwendet zur Reduktion des Rekombinationsverlustes.
  • Die BSF-Schicht 109 treibt Minioritätsträger von der Region nahe der der Basis/BSF-Interface-Oberfläche in den Basis-Emitterübergang, um den Effekt der Rekombinationsverluste zu minimieren. Anders ausgedrückt gilt Folgendes: Eine BSF-Schicht 109 reduziert den Rekombinationsverlust an der Rückseite der Solar-Subzelle A und reduziert damit die Rekombination in der Basis.
  • Auf der Oberseite der BSF-Schicht 109 ist eine Sequenz oder Folge von stark dotierten p-Type und n-Typ-Schichten 110 abgeschieden, die eine Tunneldiode bilden, die ein Schaltungselement darstellt zur elektrischen Verbindung der Subzelle A mit der Subzelle B.
  • Oben auf den Tunneldiodenschichten 110 ist eine Fenster- oder Window-Schicht 111 abgeschieden. Die Fensterschicht 111, verwendet in der Subzelle B, arbeitet auch zur Reduktion des Rekombinationsverlustes. Die Fensterschicht 111 verbessert auch die Passivierung der Zellenoberfläche der darunter liegenden Grenzschichten oder Junctions. Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche Schicht oder zusätzliche Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können, und zwar bei dieser Zellenstruktur, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Oben auf der Fenster-Schicht 111 sind Schichten der Zelle B abgeschieden: die Emitterschicht 112 und die p-Typ-Basisschicht 113. Diese Schichten bestehen vorzugsweise aus InGaP bzw. In0,015GaAs, obwohl andere, geeignete Materialien in Übereinstimmung mit den Anforderungen hinsichtlich Gitterkonstanten und Bandabstand (bandgap; Bandlücke) auch verwendet werden könnten.
  • Oben auf der Zelle B ist eine BSF-Schicht 114 abgeschieden, die die gleiche Funktion ausführt, wie die BSF-Schicht 109. Eine p++/n++-Tunneldiode 115 ist über der BSF-Schicht 114 abgeschieden, und zwar ähnlich wie die Schichten 110, und zwar wiederum ein Schaltungselement zur elektrischen Verbindung der Zelle B mit der Zelle C bildend.
  • Eine Barrierenschicht 116a, vorzugsweise bestehend aus InGa(Al)P ist über der Tunneldiode 115 abgeschieden, und zwar auf eine Dicke von ungefähr 1,0 μm. Eine derartige Barrierenschicht dient zur Verhinderung von Threading-Dislocations (Faden-Versetzungen) aus der Fortpflanzung, und zwar entweder entgegengesetzt zur Richtung des Wachstums in die mittleren und oberen Subzellen B und C oder in die Richtung des Wachstums in die Richtung des Wachstum in die Boden-Subzelle A.
  • Eine metamorphe Schicht 116 ist über der Barrierenschicht 116a abgeschieden. Die Schicht 116 ist vorzugsweise eine zusammengesetzte, stufengradier te Folge von InGaAlAs-Schichten mit monoton sich ändernder Gitter-Konstante, um einen Übergang in der Gitter-Konstanten von der Subzelle B zur Subzelle C zu erreichen. Der Bandabstand der Schicht 116 ist eine 1.5 eV, und zwar konsistent mit einem Wert, der etwas größer ist als der Bandabstand der mittleren Subzelle B.
  • In einem Ausführungsbeispiel, wie in dem Wanlass et al-Dokument vorgeschlagen, enthält die Stufengradierung neun zusammengesetzt-gradierte InGaP-Stufen, wobei jede Stufenschicht eine Dicke von 0,25 μm besitzt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Schicht 116 aus neun Schichten aus InGaAlAs, und zwar mit monoton sich ändernder Gitter-Konstante oder insbesondere aus InxGal-xAlAs, wobei x derart gewählt wird, dass der Bandabstand konstant bei 1,50 eV liegt. Die Anzahl der Schichten und die Zusammensetzung und die Gitter-Konstante jeder Schicht können in geeigneter Weise eingestellt werden, und zwar abhängig von anderen Erfordernissen hinsichtlich Wachstum oder Struktur.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine optionale zweite Barrierenschicht 116b über der InGaAlAs-metamorphen Schicht 116 abgeschieden werden. Die zweite Barrierenschicht 116b hat typischerweise eine etwas andere Zusammensetzung als die Barrierenschicht 116a.
  • Eine Fensterschicht 117 ist über der Barrierenschicht 116b abgeschieden, wobei diese Fensterschicht den Rekombinationsverlust in der Subzelle C reduziert. Der Fachmann erkennt, dass zusätzliche Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können, und zwar in der Zellenstruktur ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Auf der Oberseite der Fensterschicht 117 sind die Schichten der Zelle C abgeschieden: die n+-Emitterschicht 118 und die p-Typ-Basisschicht 119. Diese Schichten bestehen vorzugsweise aus InGaP bzw. GaInAs, obwohl auch an dere geeignete Materialien, die mit der Gitter-Konstanten und den Bandabstand-Erfordernissen konsistent sind, verwendet werden könnten.
  • Eine BSF-Schicht 120 wird oben auf der Zelle C abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion hat, wie die BSF-Schichten 109 und 114.
  • Schließlich ist eine p+-Kontaktschicht 121 auf der BSF-Schicht 120 abgeschieden.
  • Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche oder mehrere zusätzlichen Schichten in der Zellenstruktur hinzugefügt oder weggelassen werden können, und zwar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • 2 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 1, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem eine Metallkontaktschicht 122 über der p+-Halbleiterkontaktschicht 121 abgeschieden ist. Das Metall ist vorzugsweise eine Sequenz von Schichten Ti/Au/Ag/Au.
  • 3 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 2, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem ein Klebemittel 123 über der Metallschicht 122 aufgebracht wird. Das Klebemittel kann ein temporäres Klebemittel sein oder ein permanentes Klebemittel. Die permanente Verbindung kann auch auf die Metallschicht selbst zurückzuführen sein, und zwar beispielsweise im Falle einer eutektischen oder Thermo-Kompressions-Verbindung am anzubringenden Substrat.
  • 4 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 3, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem ein Surrogat-Substrat 124 angebracht wird, und zwar unter Verwendung der oben detaillierten Verbindungs-Methode. Dieses Surrogat-Substrat kann ein temporäres Substrat sein, wie beispielsweise Saphir oder Glas, und zwar bis zu 1 mm Dicke. Oder aber das Surrogat-Substrat kann ein permanentes Substrat sein, wie beispielsweise ein Silizium- oder Germanium-Wafer, der elektrisch und/oder thermisch leitend sein kann. Die Verwendung von Germanium als Substrat gestattet auch die thermische Expansionsanpassung zwischen den III–V-Halbleiterschichten der Solarzelle und des Substrats, wodurch eine Wölbung und eine Rissbildung der Substrat/Epitaxialschichten vermieden werden.
  • 5A ist ein Querschnitt der Solarzelle der 4, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem das Originalsubstrat entfernt wird, und zwar durch eine Folge von Läppen- und/oder Ätzschritten, in denen das Substrat 101, die Pufferschicht 103 und die Ätzstopschicht 104 entfernt werden. Das Ätzmittel hängt von dem Wachstumssubstrat ab.
  • 5B ist ein Querschnitt der Solarzelle der 5A, und zwar von der Solarzelle der 5A aus einer Ausrichtung mit dem Surrogat-Substrat 124 am Boden der Figur.
  • 6A ist eine Draufsicht auf einen Wafer, der die Solarzellen enthält.
  • Wie insbesondere in der Zelle 1 veranschaulicht, sind in jeder Zelle leitende Gitterlinien 501 (insbesondere besser im Querschnitt der 10 gezeigt) auf der Oberfläche der Zelle vorgesehen, ferner eine Zwischenverbindungsbuslinie 502 und einen Kontaktanschluss 503 zum Herstellen eines externen elektrischen Kontaktes mit der Oberseite der Zelle.
  • 6B ist eine Draufsicht auf den Wafer von unten, und zwar mit vier Solarzellen gemäß 6A. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Rückseitenoberfläche mit Kontaktmetall dargestellt durch Schicht 122, abgedeckt.
  • 7 ist eine Draufsicht des Wafers der 6A, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, indem ein Kanal 510 um den Umfang jeder Zelle herum geätzt wird, und zwar unter Verwendung von Phosphid und Arsenid-Ätzmitteln, um jede Zelle zu isolieren und eine Kontaktanschlussfläche zu bilden, die elektrisch verbunden ist mit dem Boden der Kontaktschicht. Die Ver wendung einer solchen Anschlussfläche wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
  • 8 ist ein vereinfachter Querschnitt der Solarzelle der 5B, wobei nur einige wenige der oberen Schichten und der unteren Schichten über dem Surrogat-Substrat 124 gezeigt sind.
  • 9 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 8, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem die Ätzstopschicht 104 durch eine HCl/H2O-Lösung entfernt wird.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 9 nach der nächsten Sequenz oder Folge von Verfahrensschritten, in denen eine Photoresist-Maske (nicht gezeigt) über die Kontaktschicht 105 gelegt wird, um die Gitterlinien 501 zu bilden. Die Gitterlinien 501 werden Aufdampfen und photolithografische Strukturierung hergestellt, wobei die Abscheidung auf der Kontaktschicht 105 erfolgt. Die Maske wird von den Metallgitterlinien 501 abgelöst.
  • 11 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 10 nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem die Gitterlinien als eine Maske verwendet werden, um die Oberfläche zu der Fensterschicht 106 herabzuätzen, und zwar unter Verwendung einer Zitronensäure/Peroxid-Ätzmischung.
  • 12 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 11, und zwar nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem eine dielektrische Antireflex-Schicht 130 über der gesamten Oberfläche der „oberen” (sonnenwärts) gerichteten Seite des Wafers aufgebracht ist, und zwar mit Gitterlinien 501.
  • 13 ist ein Querschnitt der Solarzelle der 12 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem ein Kanal 510 oder ein Teil der Halbleiterstruktur bis zur Metallschicht 122 herabgeätzt wird, und zwar unter Verwendung von Phosphid- und Arsenid-Ätzmitteln, was eine Me sa-Struktur hinterlässt, die die Solarzelle bildet. Der in 13 gezeigte Querschnitt entspricht dem der A-A-Ebene, wie in 7 gezeigt.
  • Die nächsten Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung einer dünnen invertierten metamorphen Solarzelle auf einem starren Träger, einschließlich Folgendem:
    • (i) eine dünne Zelle, angebracht auf einem gedünnten Substrat (14A),
    • (ii) eine dünne Zelle, angebracht auf einem gedünnten Substrat mit einem Abdeckglas (14B) und
    • (iii) eine dünne Zelle, angebracht auf einem Abdeckglas (16B).
  • 14A ist ein Querschnitt der Solarzelle der 13 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem das Surrogat-Substrat 124 durch einen Prozess des Schleifens, Läppens oder Ätzens gedünnt wurde, und zwar auf eine bevorzugte Dicke von ungefähr 50–150 μm (2–6 mils). Der rechte Teil der Solarzelle wird sodann auf seine Größe geformt oder zurechtgeschnitten, wobei die freiliegende Metallschicht 122 über dem gedünnten Substrat 124a belassen wird, die verwendet werden kann, um einen Kontaktanschluss für die Rückseite der Solarzelle zu bilden. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie beispielsweise bei Solarzellen für terrestrische Anwendungen ist die Endstruktur der Solarzelle vollständig, wie dargestellt. In einer Abwandlung dieses ersten Ausführungsbeispiels sind das Klebemittel 123 und das Surrogat-Substrat 124a leitend, so dass der Bodenmetallkontakt 122 elektrisch mit dem Surrogat-Substrat 124a gekoppelt ist, was dann als elektrischer Kontakt zur Rückseite der Solarzelle dient. In einer solchen Abwandlung ist die Verwendung der Schicht 122 als Kontaktanschluss nicht notwendig.
  • 14B ist ein Querschnitt der Solarzelle der 14A nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem ein Abdeckglas zu der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird. Ein Klebemittel wird auf der Antireflex-Schicht 130 aufgebracht und ein Abdeckglas wird an dem Klebemittel angebracht. Ein solches Ausführungsbeispiel einer dünnen Solarzelle, angebracht auf einem gedünnten Substrat mit einem Abdeckglas ist typisch für Solarzellen, die für Weltraumanwendungen vorgesehen sind oder auch bei anderen schwierigen Umgebungsverhältnissen. Der Kontakt kann entweder zur Schicht 122 hergestellt werden oder in einer weiteren Abwandlung sind Klebemittel 123 und Surrogat-Substrat 124a leitend, so dass der Bodenmetallkontakt 122 elektrisch mit dem Substrat 124a gekoppelt ist, was als elektrischer Kontakt zur Solarzelle dient.
  • 15 zeigt die Kopplung von zwei benachbarten Solarzellen, Zelle 1 und Zelle 2 unter Verwendung der Metallschicht 122 als Kontaktanschluss. Der Kanal 510 in der Zelle 1 legt einen Teil der Metallkontaktschicht 122 frei. Ein Draht 512 wird sodann angeschweißt oder gebonded zwischen Schicht 122 auf Zelle 1 und dem elektrischen Kontaktanschluss 511 auf Zelle 2. Der Kontaktanschluss 511 stellt einen elektrischen Kontakt mit der Kontaktschicht 105 der Zelle 2 her und stellt dadurch die elektrische Kopplung zur Zelle 2 her. Eine derartige elektrische Anordnung gestattet, dass die Zellen in Serie geschaltet werden.
  • 16A ist ein Querschnitt der Solarzelle der 13 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem ein Klebemittel über der Antireflex-Schicht 130 angebracht wird und ein Abdeckglas daran befestigt wird.
  • 16B ist ein Querschnitt der Solarzelle der 14 nach dem nächsten Verfahrensschritt gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Surrogat-Substrat 124 vollständig entfernt wird, und zwar durch Schleifen, Läppen oder Ätzen, was zur Folge hat, dass die fertige Vorrichtungsstruktur einer dünnen metamorphen Solarzelle auf einem starren Abdeckglas angebracht ist.
  • Man erkennt, dass jedes der Elemente, die oben beschrieben wurden oder zwei oder mehr zusammen eine nützliche Anwendung in anderen Konstrukti onsarten finden können, und zwar Konstruktionen, die sich von den Konstruktionen, die oben beschrieben wurden, unterscheiden.
  • Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Vertikalstapel von Subzellen verwendet, und zwar mit oberen und unteren elektrischen Kontakten, können die Subzellen alternativ mittels Metallkontakten Kontakt haben, und zwar Metallkontakten mit seitlichen leitenden Halbleiterschichten zwischen den Subzellen. Solche Anschlüsse können zur Bildung von 3-Anschluss-, 4-Anschluss- und im Allgemeinen n-Anschlussvorrichtungen verwendet werden. Die Subzellen können in Schaltungen geschaltet sein, und zwar unter Verwendung dieser zusätzlichen Anschlüsse derart, dass der größte Teil der verfügbaren photogenerierten Stromdichte in jeder Subzelle effektiv verwendet werden kann, was zu einer höheren Effizienz für die Multijunction-Zelle führt, trotz der Tatsache, dass die photogenerierten Stromdichten typischerweise unterschiedlich in den verschiedenen Subzellen sind.
  • Wie oben bemerkt, kann die vorliegende Erfindung eine oder mehrere Homo-Junction-Zellen oder Subzellen verwenden, d. h. eine Zelle oder Subzelle, in der der p-n-Übergang oder p-n-Junction gebildet wird zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einen n-Typ-Halbleiter, wobei beide die gleiche chemische Zusammensetzung und den gleichen Bandabstand besitzen, und zwar unterschiedlich nur hinsichtlich der Dotierart. Die Subzelle A mit p-Typ und n-Typ-InGaP ist ein Beispiel einer Homo-Junction-Subzelle. Alternativ kann die vorliegende Erfindung eine oder mehrere Hetero-Junction-Zellen oder Subzellen verwenden, d. h. eine Zelle oder Subzelle, in der ein p-n-Übergang zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter gebildet ist, wobei diese unterschiedliche chemische Zusammensetzungen des Halbleitermaterials in dem n-Typ- oder n-Typ-Regionen besitzen und/oder unterschiedliche Bandabstand-Energien in den p-Typ-Regionen, und zwar zusätzlich zur Verwendung unterschiedlicher Dotierarten und Typen der p-Typ- und n-Typ-Regionen, die den p-n-Übergang bilden.
  • Die Zusammensetzung der Fenster- oder BSF-Schichten kann andere Halbleiterverbindungen verwenden, und zwar unter Berücksichtigung der Gitter-Konstanten und Bandabstands-Erfordernisse und können Folgendes aufweisen: AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs, AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlINSb, GaInSb, AlGaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe und ähnliche Materialien und wobei die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt.
  • Nachdem die Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, wie sie sich in einer invertierten metamorphen Multijunction-Solarzelle verkörpert, sei bemerkt, dass die Erfindung nicht durch die gezeigten Einzelheiten beschränkt ist, sondern dass vielmehr verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, vorgenommen werden können.
  • Ohne weitere Analyse offenbart die oben stehende Beschreibung das Ziel der Erfindung, so dass unter Verwendung des derzeitigen Wissens ohne weiteres eine Anpassung für verschiedene Anwendungsfälle vorgenommen werden kann, ohne dass Merkmale weggelassen werden müssen, die bei fairer Berücksichtigung des Standes der Technik wesentliche Charakteristika der allgemeinen oder spezifischen Aspekte dieser Erfindung darstellen, wobei daher solche Anpassungen beabsichtigt sind und im Rahmen der Erfindung liegend.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines ersten Substrats (101); Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial auf dem ersten Substrat (101) zur Bildung einer Solarzelle; Abscheiden einer Metallkontaktschicht (122) über der erwähnten Folge von Hableiterschichten; Anbringen eines Surrogat-Substrats (124) oben auf der erwähnten Metallkontaktschicht (122); Entfernen des ersten Substrats (101); und Dünnen des angebrachten Surrogat-Substrats (124a) auf eine vorbestimmte Dicke durch einen Prozess des Schleifens oder Läppens.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Folge von Schichten aus Halbleiterleitermaterial eine Triple-Junction-Solarzelle bildet, und zwar einschließlich erster, zweiter und dritter Solar-Subzellen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anbringungsschritt das Ankleben der Solarzelle an dem Surrogat-Substrat umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Surrogat-Substrat ein Saphir-Wafer ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Ätzen einer Öffnung (510) durch die Schichten aus Halbleitermaterial bis zu der zur Folge von Schichten aus Halbleitermaterial gewandten Seite der Metallkontaktschicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Öffnung (510) als ein Kanal um den Umfang jeder Zelle herum geätzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Schweißen eines elektrischen Leiters an die Metallkontaktschicht zur Bildung eines elektrischen Kontakts zur Solarzelle.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der elektrische Leiter eine elektrische Verbindung mit einer benachbarten Solarzelle herstellt.
  9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Surrogat-Substrat elektrisch leitend ist und somit einen elektrischen Kontakt zur Solarzelle bildet.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Anbringen der Solarzelle an einem Glastragglied.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Schritt des Abscheidens der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial Folgendes aufweist: Bilden einer ersten Solar-Subzelle auf dem erwähnten Substrat mit einem ersten Bandabstand; Bilden einer zweiten Solar-Subzelle über der ersten Subzelle mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der erste Bandabstand; Bilden einer Gradienten-Zwischenschicht (116) über der zweiten Subzelle mit einem dritten Bandabstand größer als der erwähnte zweite Bandabstand; Bilden einer dritten Solar-Subzelle mit einem vierten Bandabstand, der kleiner ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte Subzellegitter fehlausgerichtet ist bezüglich der zweiten Subzelle.
  12. Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat aus GaAs besteht.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 2, wobei die erste Solar-Subzelle aufgebaut ist aus einer InGa(Al)P-Emitterregion und einer InGa(Al)P-Basisregion.
  14. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Solar-Subzelle aus einer InGaP-Emitterregion und einer GaAs-Basisregion aufgebaut ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die dritte Solar-Subzelle aus InGaAs aufgebaut ist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die Folgendes aufweist: Vorsehen eines ersten Substrats (101); Abscheiden auf dem ersten Substrat (101) einer Folge von Schichten. aus Halbleitermaterial, die eine Solarzelle bilden; Abscheiden einer Metallkontaktschicht (122) über der erwähnten Folge von Halbleiterschichten; Anbringen eines Surrogat-Substrats (124) oben auf der Metallkontaktschicht (122); Entfernen des ersten Substrats, Befestigen der Solarzelle mit der vom Surrogat-Substrat (124) abgewandten Seite auf einem starren Abdeckglas; und vollständiges Entfernen des Surrogat-Substrats (124) durch Schleifen oder Läppen.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Folge der Schichten aus Halbleitermaterial eine Triple-Junction-Solarzelle bildet, und zwar einschließlich erster, zweiter und dritter Solar-Subzellen.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Befestigungsschritt oder Anbringungsschritt das Anhaften oder Ankleben der Solarzelle an dem Surrogat-Substrat umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Surrogat-Substrat ein Saphir-Wafer ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Abscheidens einer Sequenz oder Folge von Schichten aus Halbleitermaterial Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Solar-Subzelle auf dem Substrat mit einem ersten Bandabstand; Formen einer zweiten Solar-Subzelle über der ersten Subzelle mit einem zweiten Bandabstand kleiner als der erste Bandabstand; Formen einer Gradienten-Zwischenschicht (116) über der zweiten Subzelle mit einem dritten Bandabstand, der größer ist als der zweite Bandabstand; Formen einer dritten Solar-Subzelle mit einem vierten Bandabstand, der kleiner ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte Subzellegitter fehlausgerichtet ist, bezüglich der zweiten Subzelle.
  21. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 16, wobei das erste Substrat aus GaAs aufgebaut ist.
  22. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die erste Solar-Subzelle aufgebaut ist aus einer InGa(Al)P-Emitterregion und einer InGa(Al)P-Basisregion.
  23. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die zweite Solar-Subzelle aufgebaut ist aus einer InGaP-Emitterregion und einer GaAs-Basisregion.
  24. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die dritte Solar-Subzelle aus InGaAs besteht.
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