DE102008055028A1

DE102008055028A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE102008055028A1
Application number: DE102008055028A
Authority: DE
Inventors: Peter Engelhart; Sven Wanka; Wilhemus Mathijs Marie Kessels; Gijs Dingemans
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01
Also published as: DE102008055028A8; US20110284064A1; EP2380203B8; ES2408194T3; EP2380203A1; EP2380203B1; CN102257623A; WO2010070015A1

Abstract

Solarzelle mit einer Halbleiterschicht (1) mit einer ersten Dotierung, einer auf der Halbleiterschicht (1) angeordneten Induzierschicht (3) und einer aufgrund der Induzierschicht (3) unterhalb der Induzierschicht (3) in der Halbleiterschicht (1) induzierten Inversionsschicht (4) oder Akkumulationsschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) ein Material mit einer Flächenladungsdichte von mindestens 10cm, vorzugsweise von mindestens 5 x 10cm, bevorzugt von mindestens 10cm, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Inversions- oder Akkumulationsschicht.
Zur Trennung mittels einfallenden Lichts erzeugter freier Ladungsträger in einem Halbleiter weisen Halbleitersolarzellen herkömmlicherweise Halbleiterbereiche auf, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet und/oder mit unterschiedlichen Dotierstoffen dotiert sind. Zwischen den beiden Halbleiterbereichen, welche in der Regel als Basis und Emitter bezeichnet werden, baut sich dann ein Heteroübergang und/oder ein pn-Übergang auf, in welchem die freien Ladungsträger getrennt werden und so eine abgreifbare Spannung bilden.
Anstelle oder zusätzlich zu der Dotierung können Basis und Emitter auch dadurch erzeugt werden, dass in einer Oberflächenregion eines dotierten Halbleiters Ladungsträger induziert werden, um dort eine Inversions- oder Akkumulationsschicht zu erzeugen. Ähnlich wie bei einem Feldeffekttransistor werden also in dem dotierten Halbleiter aufgrund einer Bandverbiegung entweder zusätzlich Majoritätsladungsträger an die Oberflächenregion herangezogen, um eine Akkumulationsschicht zu bilden, oder es werden Minoritätsladungsträger herangezogen und Majoritätsladungsträger von der Oberflächenregion weggestoßen, um eine Ladungsträgerinversion zu erreichen und so eine Inversionsschicht zu bilden. Durch die Bildung der Inversions- oder Akkumulationsschicht wird gleichzeitig eine Passivierung der Halbleiteroberfläche erreicht, da durch das Wegdrücken einer Ladungsträgerart die Ladungsträgerrekombination an Oberflächenfehlstellen vermindert wird.
Als ein mögliches Material für die Erzeugung einer Inversions- oder Akkumulationsschicht ist Siliziumnitrid (SiN_x) bekannt, das bei sogenannten MIS-Solarzellen eingesetzt wird (MIS – „Metal Insulator Semiconductor”, Metall-Isolator-Halbleiter). Hierbei wird eine Induzierschicht aus SiN_x auf eine Halbleiterschicht aufgebracht. Aufgrund der positiven Flächenladungsdichte der SiN_x-Schicht wird in einer Oberflächenregion der Halbleiterschicht abhängig von der Dotierung der Halbleiterschicht eine Inversionsschicht oder eine Akkumulationsschicht erzeugt. Die Inversions- oder Akkumulationsschicht kann zugleich der Oberflächenpassivierung und als Emitterschicht dienen, wobei die Halbleiterschicht als Basisschicht wirkt.
Induzierschichten aus herkömmlichen Materialien wie SiN_x haben den Nachteil, dass mit ihnen nur eine geringe Ladungsträgerinversion oder -akkumulation erreicht werden kann. Dies führt zu einer Inversions- oder Akkumulationsschicht mit nur geringer lateraler Leitfähigkeit. Zudem bilden sie keine ausreichend passivierenden Schichten, so dass hohe Ansprüche an die Verarbeitung der Halbleiteroberfläche gestellt werden muss, insbesondere bei nicht-kristallinen Oberflächen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle mit einer Inversions- oder Akkumulationsschicht zu erhalten, welche eine erhöhte laterale Leitfähigkeit aufweist. Zudem soll die Oberflächenpassivierung der Solarzelle verbessert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine hohe Flächenladungsdichte von mindestens 10¹² cm^–2, vorzugsweise von mindestens 10¹³ cm^–2, sowohl Inversionsschichten und Akkumulationsschichten mit erhöhten lateralen Leitfähigkeiten induzieren kann, als auch eine verbesserte Oberflächenpassivierung bedingt. Ob eine Inversionsschicht oder eine Akkumulationsschicht induziert wird, hängt hierbei sowohl von der Art und Stärke einer möglichen Dotierung der Halbleiterschicht ab, als auch vom Vorzeichen und von der Stärke der mittels der Induzierschicht induzierten Ladungen. Die Induzierschicht kann entweder eine positive oder eine negative Flächenladungsdichte aufweisen.
Die Inversionsschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus dem Material mit der genannten Flächenladungsdichte gebildet. Ferner ist es vorteilhaft, aber nicht unbedingt notwendig, dass die Induzierschicht unmittelbar auf der Halbleiterschicht angeordnet ist. Es können auch weitere Zwischenschichten zwischen Induzierschicht und Halbleiterschicht angeordnet sein, die zur Haftvermittlung dienen und/oder mechanische und/oder elektronische Eigenschaften der Solarzelle beeinflussen.
Ein mögliches Verfahren zur Herstellung einer derartigen Solarzelle umfasst das Bereitstellen einer Halbleiterschicht, beispielsweise als Halbleiterwafer oder als Dünnschicht, welche auf einem Substrat abgeschieden ist. Auf diese Halbleiterschicht wird dann die Induzierschicht aufgebracht. Es ist jedoch auch die umgekehrte Reihenfolge denkbar, bei der die Induzierschicht auf dem Substrat aufgetragen wird, die gegebenenfalls mit einer Sammel- oder Kontaktschicht ausgestattet ist. Auf die Induzierschicht wird dann anschließend die Halbleiterschicht aufgebracht.
Die Halbleiterschicht kann hierbei vollständig oder teilweise dotiert sein, beispielsweise in einem Bereich, in welchem die Inversionsschicht oder Akkumulationsschicht induziert werden soll. Aufgrund der Flächenladungsdichte der Induzierschicht tritt in der Halbleiterschicht eine Bandverbiegung auf, die eine Trennung in dem Halbleiter entstehender freier Ladungsträger hervorruft.
Um die so getrennten Ladungsträger zu sammeln, muss bei dem Herstellungsverfahren auch eine Kontaktierung der Solarzelle erfolgen. Hierbei kann die Induzierschicht bei entsprechender Materialwahl als Tunnelschicht dienen, oder es können sich Tunnelbereiche in der Induzierschicht bilden. Die induzierte Inversions- oder Akkumulationsschicht kann zudem als ein sogenanntes Back-Surface-Field (BSF) wirken. Eine induzierte Akkumulationsschicht hat darüber hinaus den Vorteil, dass die laterale Leitfähigkeit der Majoritäten in der als Absorber wirkenden Halbleiterschicht erhöht wird. Diese zusätzliche laterale Leitfähigkeit gewinnt bei immer dünner werdenden Halbleiterwafern eine hohe Bedeutung um ohmsche Verluste zu minimieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform dass ist die Pufferschicht (3) im Wesentlichen aus einem Material mit einer negativen Flächenladungsdichte gebildet ist. Ein Beispiel für ein Material mit negativer Flächenladungsdichte ist Aluminiumfluorid (AlF₃) mit einer negativen Ladungsdichte zwischen etwa 10¹² und etwa 10¹³ cm^–2. Eine negative Flächenladungsdichte hat den Vorteilhaft, dass das Material besonders zur Induzierung einer Akkumulationsschicht in einer p-Typ Halbleiterschicht geeignet ist, was beispielsweise im Bereich der auf Silizium basierenden Photovoltaik die mit Abstand am meisten verwendete Dotierung ist.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Induzierschicht Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst. Eine Aluminiumoxidschicht eignet sich besonders für eine gute Oberflächenpassivierung. Ferner weist sie eine hohe negative Flächenladungsdichte auf, mittels welcher eine p-leitende Inversionsschicht oder Akkumulationsschicht mit hoher lateraler Leitfähigkeit hergestellt werden kann. Darüber hinaus lässt sich die Aluminiumoxidschicht auf einfache Weise sehr dünn und trotzdem gleichmäßig auftragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass unterhalb der Induzierschicht in der Halbleiterschicht eine Diffusionsschicht gebildet ist, wobei die aufgrund der Induzierschicht induzierte Inversionsschicht oder Akkumulationsschicht teilweise oder vollständig in der Diffusionsschicht gebildet ist. Wenn beispielsweise die Diffusionsschicht n-leitend ist, kann durch die Induzierschicht je nach Materialwahl eine n⁺-leitende Akkumulationsschicht oder eine p-leitende Inversionsschicht induziert werden. Die Diffusionsschicht kann beispielsweise mittels Bor-Dotierung hergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Induzierschicht pinholefrei gebildet ist. Dies bedeutet, dass die Induzierschicht so gleichmäßig und/und fehlerfrei gebildet ist, dass sich in ihr keine Durchgangslöcher (pinholes) bilden. In diesem Fall ist die Induzierschicht elektrisch ausreichen isoliert und somit insbesondere zur Ausbildung von Tunnelkontakten gut geeignet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Induzierschicht mittels Atomlagenabscheidung gebildet ist. Mit diesem verkürzt mit ALD (atomic layer deposition) bezeichneten Abscheidungsverfahren lassen sich insbesondere aus Aluminiumoxid besonders gleichmäßige und vollständige Schichten bilden. Zudem kann die Schichtdicke genauestens, im Idealfall bis auf eine atomare Schicht genau, eingestellt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Induzierschicht eine Dicke in einem Bereich zwischen 0,1 und 10 Nanometer, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 Nanometer aufweist. Vorzugsweise ist die Induzierschicht (auch bei geringer Dicke in der Größenordnung von wenigen atomaren Schichten) elektrisch isolierend, so dass sich hierin Tunnelbereiche ausbilden, durch welche freie Ladungsträger aus der Inversions- oder Akkumulationsschicht in eine über der Induzierschicht angeordnete Leitungsschicht oder dergleichen tunneln.
Alternativ können auch andere Schichtdicken von Vorteil sein. Beispielsweise sind für eine optische Anpassung auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseite der Solarzelle größere Schichtdicken vorteilhaft. Um eine derartige Kombinationsschicht zu erhalten, die gleichzeitig als Tunnelschicht wirkt und zusätzlich optische Vorteile wie Anti-Reflexionsanpassung oder verbesserte Rückseitenreflexion in Zusammenhang mit einer rückseitigen Metallisierung zu erzielen, kann eine Gesamtschichtdicke größer als etwa 50 nm von Vorteil sein.
Beispielsweise ist bei Verwendung von Aluminiumdioxid für die vorderseitige Anti-Reflexionsanpassung eine Schichtdicke von größer oder gleich etwa 50 nm zweckmäßig. Demgegenüber ist bei Verwendung von Aluminiumdioxid für eine verbesserte Rückseitenreflexion eine Schichtdicke von größer oder gleich 100 nm sinnvoll.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Induzierschicht über im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche der Halbleiterschicht erstreckt. Dies kann insbesondere auch dann erfüllt sein, wenn eine auf der Induzierschicht aufgebrachte Leitungsschicht in, beispielsweise fingerförmige, Leitungsschichtbereiche strukturiert ist, wozwischen freiliegende Zwischenbereiche ausgebildet sind. Das hier beschriebene Merkmal verlangt dann, dass die Induzierschicht sowohl unterhalb der Leitungsschicht in den Leitungsschichtbereichen als auch in den durch die Leitungsschicht nicht bedeckten Zwischenbereichen auf der Halbleiterschicht angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die gleiche Flächenladungsdichte zur Bildung der Inversions- oder Akkumulationsschicht genutzt, unabhängig davon, ob der entsprechende Bereich von der strukturierten Leitungsschicht bedeckt ist oder nicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Halbleiterschicht kristallines oder amorphes Silizium umfasst. Das kristalline Silizium kann beispielswiese in Form eines Wafers vorliegen. Es kann sich jedoch auch um mikrokristallines Silizium handeln. Das amorphe Silizium kann mit einem Abscheidungsverfahren auf einem Substrat oder Superstrat beispielsweise aus Glas hergestellt sein, das gegebenenfalls mit einem transparenten leitfähigen Material beschichtet ist.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass auf einer der Halbleiterschicht abgewandten Seite der Induzierschicht eine Leitungsschicht angeordnet ist. Die Leitungsschicht dient dazu, die in dem Halbleiter erzeugten und aufgrund der Bandverbiegung getrennten freien Ladungsträger zu sammeln. Sie kann ganzflächig aufgebracht oder strukturiert sein, beispielsweise um Fingerkontakte zu bilden. Die Leitungsschicht kann eine Metallschicht und/oder eine Schicht aus transparentem leitfähigen Material umfassen, beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie Indium-Zinn-Oxid (ITO – „indium tin Oxide”) oder Zinkoxid. Sie kann auch mehrere Schichten umfassen, beispielsweise eine durchgehende transparente leitfähige Schicht und eine darüber angeordnete strukturierte Metallschicht. Wenn unterhalb der Induzierschicht eine zusätzliche Dotierschicht vorgesehen ist, dann ist die Dotierung hierfür vorzugsweise unterhalb der Metallschicht, beispielsweise auf Bereiche unterhalb der Fingerkontakte konzentriert, um einen besseren elektrischen Kontakt zur Leitungsschicht zu bilden.
Insbesondere die Verwendung von Al₂O₃ zur Bildung einer Induzierschicht unterhalb eines Metallkontaktes hat den Vorteil, dass aufgrund dessen unter dem Metallkontakt sowohl ein Tunnelkontakt als auch eine Inversionsschicht ausgebildet wird. Im Falle der eingangs erwähnten Solarzellen mit Inversionsschichten aus SiN_x werden mehrere Schichten unterschiedlichen Materials benötigt, um diese beiden Effekte zu erzielen: Eine Schicht aus SiN_x zur Erzeugung der Inversionsschicht und SiO₂ unter dem Metallkontakt zur Bildung des Tunnelkontakts. Al₂O₃ hat somit den Vorteil, hierfür eine einfachere Struktur mit nur einem Materialsystem zu benötigen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf einer der Halbleiterschicht abgewandten Seite der Induzierschicht eine kristalline oder amorphe weitere Halbleiterschicht gebildet ist. Wenn die Halbleiterschicht aus einem kristallinen Halbleitermaterial gebildet ist, beispielsweise aus kristallinem Silizium (c-Si), so kann die weitere Halbleiterschicht aus einem amorphen Halbleitermaterial wie amorphem Silizium (a-Si) gebildet sein, um einen Heteroübergang oder Heterokontakt zu einer hierüber angeordneten Leiterschicht zu bilden.
Herkömmlicherweise werden derartige Heteroübergänge aus einer Schichtfolge aus c-Si und a-Si und einer hierzwischen angeordneten intrinsischen amorphen Siliziumschicht gebildet. Hierbei dient die intrinsische amorphe Siliziumschicht der Oberflächenpassivierung. Vorliegend wird diese passivierende Wirkung durch die Induzierschicht, die nachfolgend auch als Pufferschicht bezeichnet werden kann, übernommen. Die Pufferschicht bildet zudem in dem Heteroübergang eine Tunnelschicht, die von den Ladungsträgern durchtunnelt wird, welche in der hierauf abgeschiedenen a-Si-Schicht eingesammelt werden.
Die Verwendung der Pufferschicht anstelle der intrinsischen amorphen Siliziumschicht hat den Vorteil, dass die Schichtdicke der Pufferschicht viel genauer einstellbar ist, insbesondere dann, wenn es sich um eine mittels ALD abgeschiedene Schicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid handelt. In dem Fall, dass es sich hierbei um einen p⁺-Heterokontakt handelt, bei dem also die Halbleiterschicht p-dotiert und die weitere Halbleiterschicht p⁺-dotiert ist, wirkt eine p⁺-leitende, beispielsweise durch eine Aluminiumoxidschicht induzierte Inversionsschicht als eine zusätzliche elektronische Senke für die Löcher.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Solarzelle als rückseitenkontaktierte Solarzelle ausgebildet. Bevorzugterweise ist die Solarzelle als eine Emitter-Wrap-Through-Solarzelle (EWT-Solarzelle) ausgebildet. Die EWT-Solarzelle weist Durchgangslöcher auf, durch welche die Emitterbereiche von einer Lichteinfallseite oder Vorderseite der Solarzelle auf eine der Lichteinfallseite abgewandten Rückseite der Solarzelle geführt sind. Die Durchgangslöcher können beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Vorzugsweise erstreckt sich die Induzierschicht hierbei teilweise oder vollständig über die Lochwände der Durchgangslöcher der EWT-Solarzelle. Dies umfasst den Fall, dass sich die Induzierschicht ausschließlich über die Lochwände, das bedeutet über die Halbleiterschicht in den Durchgangslöchern, erstreckt, und nicht über eine Solarzellenoberfläche. In diesem Fall bezeichnet der Begriff „Halbleiterschicht” eine zylindermantelförmige Schicht um das Durchgangsloch.
Eine elektrische Leitung innerhalb eines Durchgangslochs beziehungsweise durch ein Durchgangsloch erfolgt durch die Inversions- oder Akkumulationsschicht hindurch, im Gegensatz zu einer Ladungsträgerleitung durch eine entlang der Lochwand gebildete Dotier- oder Diffusionsschicht. Eine genaue Steuerung der Abscheidung der Induzierschicht und auch eventueller weiterer Schichten in dem Durchgangsloch ist hierbei besonders wichtig. Besonders von Vorteil ist eine isotrope Abscheidung der Induzierschicht entlang der Lochwand eines Durchgangsloches. Dies erfolgt beispielsweise bei Verwendung von ALD.
Die mittels geeigneter Verfahren wie beispielsweise ALD erzeugte Induzierschicht kann auch bei sehr geringer Schichtdicke insbesondere in den Durchgangslöchern der EWT-Solarzelle sehr gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Deshalb kann die EWT-Solarzelle mit Durchgangslöchern mit kleineren Lochdurchmessern als herkömmlich auskommen. Hierdurch wird die Flächennutzung der Solarzelle erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Induzierschicht auf der Halbleiterschicht in den Durchgangslöchern, auf nur einer Solarzellenoberfläche und/oder auf beiden Solarzellenoberflächen erstreckt. Hierdurch ist eine hohe Gestaltungsvielfalt für die Nutzung einer derartigen Induzierschicht bei Solarzellen gegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen jeweils in schematischen Querschnittzeichnungen:
1 eine Solarzelle mit einer unterhalb einer vorderseitigen Elektrode angeordneten Induzierschicht;
2 eine Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer unterhalb einer rückseitigen Elektrode angeordneten Induzierschicht;
3 eine weitere Solarzelle mit einer unterhalb einer Heteroübergangsschicht angeordneten Induzierschicht;
4 eine Ausführungsform einer EWT-Solarzelle; und
5 eine weitere Ausführungsform einer EWT-Solarzelle.
Die 1 zeigt eine Solarzelle mit einer Halbleiterschicht 1 und einer hierauf abgeschiedenen Induzierschicht 3. Unmittelbar unterhalb der Induzierschicht 3 ist in der Halbleiterschicht 1 eine Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 induziert. Je nach Vorzeichen der Flächenladung der Inversionsschicht 3 ist die Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 n-leitend oder p-leitend. Die Tiefe und die Schichtdicke der Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 hängt von den Materialien der Halbleiterschicht 1 und der Induzierschicht 3 sowie von der Flächenladungsdichte der Induzierschicht 3 ab.
Die vorzugsweise elektrisch isolierende Induzierschicht 3 bildet ferner bereichsweise Tunnelkontakte 31 zwischen der Halbleiterschicht 1 und einer auf der Induzierschicht 3 aufgebrachten Leitungsschicht 7. Die Leitungsschicht 7 ist zu fingerförmigen Kontakten (Fingerelektroden) strukturiert und bildet so eine vorderseitige Elektrode 91 der Solarzelle. Sie ist vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
Wenn es sich bei der Halbleiterschicht 1 um einen n-leitenden Halbleiterwafer handelt, der mit einer Induzierschicht 3 mit negativer Flächenladung bedeckt ist, beispielsweise mit Aluminiumoxid, wird in der Halbleiterschicht 1 eine pleitende Inversionsschicht 4 induziert. In diesem Fall stellt sich der ladungstrennende pn-Übergang zwischen der n-leitenden Halbleiterschicht 1 und der p-leitenden Inversionsschicht 4 ein.
Alternativ hierzu kann die Halbleiterschicht 1 ursprünglich p-dotiert sein, so dass eine Induzierschicht 3 mit negativer Flächenladung eine p⁺-leitende Akkumulationsschicht 4 in der Halbleiterschicht 1 induziert. Diese Akkumulationsschicht 4 kann dann dazu dienen, die elektrischen Eigenschaften der Tunnelkontakte 31 zu steuern.
Auf einer der Induzierschicht 3 abgewandten Seite der Halbleiterschicht 1 ist eine Dotierschicht 5 vorgesehen, die beispielsweise mittels Diffusion eines Dotierstoffes in die Halbleiterschicht 1 gebildet wird. Auf der Dotierschicht 5 ist eine rückseitige Elektrode 92 angeordnet. Je nach Leitungsart der Dotierschicht 5 im Vergleich zu der Halbleiterschicht 1 wird dazwischen entweder ein pn-Übergang erzeugt, oder es wird eine ohmsche Verbindung zwischen der Halbleiterschicht 1 und der rückseitigen Elektrode 92 gebildet.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Solarzelle, bei der die Induzierschicht 3 rückseitig auf der Halbleiterschicht 1 aufgebracht ist, das heißt auf einer der Lichteinfallseite abgewandten Seite der Solarzelle. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß der 1 ist somit die vorderseitige Elektrode 91 auf einer Dotierschicht 5 aufgebracht, während eine im Wesentlichen ganzflächige Leitungsschicht 7 auf der Induzierschicht 3 angeordnet ist und eine rückseitige Elektrode 92 bildet. Da die Leitungsschicht 7 ganzflächig ausgebildet ist, dient die gesamte Induzierschicht 3 als Tunnelbereich 31 oder Tunnelschicht zwischen der Leitungsschicht 7 und der Halbleiterschicht 1 beziehungsweise der durch die Induzierschicht 3 induzierten Inversions- oder Akkumulationsschicht 4.
Zusätzlich ist auf der Dotierschicht 5 der Solarzelle aus der 2 eine Antireflexionsschicht 11 angeordnet, welche die Fingerkontakte der vorderseitigen Elektrode 91 umgibt. Durch Auswahl des Materials und der Schichtdicke der Antireflexionsschicht 11 ist eine Reflexion des auf die Solarzelle einfallenden Lichts in einem gewünschten Spektralbereich stark vermindert, beispielsweise in einem sichtbaren und/oder infraroten Bereich. Durch Wahl eines geeigneten Materials und einer geeigneten Schichtdicke kann die Induzierschicht 3 in der Ausführungsform der Solarzelle gemäß 1 als Antireflexionsschicht ausgelegt sein.
In der 3 ist eine Solarzelle mit einem Heteroübergang dargestellt. Sie umfasst eine Halbleiterschicht 1 mit einer hierauf angeordneten Induzierschicht 3, unter der sich wie bereits erläutert eine Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 bildet. Über der Inversionsschicht 3 ist eine Heteroübergangsschicht 6 aus einem amorphen Halbleitermaterial aufgebracht, beispielsweise mittels eines physikalischen oder chemischen Abscheidungsprozesses (PVD – „physical vapor deposition”, CVD – „chemical vapor deposition”). Zwischen der Heteroübergangsschicht 6 und der Halbleiterschicht 1 bildet sich der Heteroübergang, wobei die Induzierschicht 3 gleichzeitig sowohl als eine Pufferschicht 3 als auch als ein Tunnelkontakt 31 wirkt, durch welchen freie Ladungsträger von der Halbleiterschicht 1 in die Heteroübergangsschicht 6 gelangen.
In der vorliegenden Ausführungsform der 3 dient die Induzierschicht 3 somit sowohl zum Induzieren der Inversions- oder Akkumulationsschicht 4, als auch zum Ausbilden eines Tunnelkontaktes 31. Darüber hinaus kann die Induzierschicht 3 zur Oberflächenpassivierung dienen. Die Heteroübergangsschicht 6 ist mit einer Leitungsschicht 7 bedeckt, die beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Material wie Zinkoxid oder Indium-Zinn-Oxid gebildet ist. Zum Abgreifen der aus der Heteroübergangsschicht 6 in die Leitungsschicht 7 gelangten Ladungsträger sind auf der Leitungsschicht 7 fingerförmige vorderseitige Elektroden 91 aufgebracht. Im vorliegenden Fall kann die Leitungsschicht 7 gleichzeitig als Antireflexionsschicht ausgelegt sein.
Schließlich ist auf einer der Heteroübergangsschicht 6 abgewandten Seite der Halbleiterschicht 1 eine ganzflächige rückseitige Elektrode 92 direkt aufgetragen. Die rückseitige Elektrode 92 dient dazu, ein Rückseitenfeld (BSF – „back surface field”) aufzubauen und kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein, das zum Beispiel in Pastenform aufgetragen wird. Es ist allerdings auch möglich, dass die Solarzelle auch rückseitig mit einem der vorangehend im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläuterten Kontakten versehen ist, beispielsweise mit einem Heteroübergang.
Die 4 zeigt eine Emitter-Wrap-Through-Solarzelle (EWT-Solarzelle) mit zwei rückseitigen Elektroden 92a, 92b. Die EWT-Solarzelle umfasst eine Halbleiterschicht 1, beispielsweise aus einem Halbleiterwafer, mit sich hierdurch erstreckenden Durchgangslöchern 12, von denen in der 4 nur eines gezeigt ist. Die Halbleiterschicht 1 ist beidseitig mit einer Induzierschicht 3 bedeckt, welche sich auch über der Lochwand 121 des Durchgangsloches 12 erstreckt. Unmittelbar unterhalb der Induzierschicht 3 wird in der Halbleiterschicht 1 eine Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 induziert. Darüber hinaus ist in einem Bereich die Halbleiterschicht 1 unterhalb der Induzierschicht 3 mit einer Dotierschicht 5 versehen, welche beispielsweise mittels Diffusion vor dem Auftragen der Induzierschicht 3 hergestellt sein kann.
Die Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 kann entweder den ladungstrennenden Übergang zur Halbleiterschicht 1 bilden, oder sie dient dazu, den durch die Induzierschicht 3 gebildeten Tunnelkontakt 31 zu einem der rückseitigen Elektroden 92a, 92b zu beeinflussen, wenn es sich um eine Akkumulationsschicht 4 handelt. Auf ähnliche Weise kann die Dotierschicht 5 zur Bildung eines ladungstrennenden Überganges zwischen der Halbleiterschicht 1 und der Dotierschicht 5 ausgebildet sein, beispielsweise indem die Halbleiterschicht 1 n-dotiert ist und die Dotierschicht 5 p-leitend ist. Alternativ kann die Dotierschicht 5 dazu dienen, den Tunnelkontakt 31 zwischen der Dotierschicht 5 und einem der rückseitigen Elektroden 92a, 92b zu beeinflussen, beispielsweise wenn die Halbleiterschicht 1 n-dotiert und die Dotierschicht 5 n⁺-dotiert ist.
In dem vorliegenden Fall weist beispielsweise die Dotierschicht 5 die gleiche Leitungsart auf, nämlich p- oder n-Leitung, wie die Halbleiterschicht 1, die im Allgemeinen als die Basis angesehen wird. Die Dotierschicht 5 ist somit über den Tunnelkontakt 31 in der Induzierschicht 3 mit der rückseitigen Basiselektrode 92a verbunden. Demgegenüber ist die durch die Induzierschicht 3 induzierte Inversions- oder Akkumulationsschicht 4 über einen Tunnelkontakt 31 in der Induzierschicht 3 mit der rückseitigen Emitterelektrode 92b verbunden. Ferner ist in der hier dargestellten Ausführungsform unterhalb des Tunnelkontaktes 31 zur rückseitigen Emitterelektrode 92b in der Halbleiterschicht 1 zusätzlich eine weitere Dotierschicht 5' gebildet. Die weitere Dotierschicht 5' kann beispielsweise ein mittels Diffusion eines Dotierstoffes, zum Beispiel Bor, erzeugter n⁺-leitender oder p⁺-leitender Bereich sein.
Unterhalb der rückseitigen Basiselektrode 92a und der rückseitigen Emitterelektrode 92b ist eine Isolierschicht 8 vorgesehen, die an den Stellen Öffnungen aufweist, an denen Tunnelkontakte 31 zu der Halbleiterschicht 1 vorgesehen sind.
Die gestrichelten Linien in der 4 soll veranschaulichen, dass sich das Durchgangsloch 12 auch durch die weiteren Schichten 3, 8, 92b erstreckt. Dies gilt auch in der 5 mit den weiteren Schichten 6, 7, 11, 92b.
In der 5 ist eine weitere EWT-Solarzelle dargestellt. Sie unterscheidet sich von der in der 4 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die rückseitige Emitterelektrode 92b über einen Heteroübergang mit der Solarzelle kontaktiert ist, welche eine auf der Induzierschicht 3 angeordnete Heteroübergangsschicht 6 umfasst. Zwischen der rückseitigen Emitterelektrode 92b und der Heteroübergangsschicht 6 ist ferner eine Leitungsschicht 7 angeordnet. Die Leitungsschicht 7 kann beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Material gebildet sein und dazu dienen, die Rückreflexion von auf die rückseitige Emitterelektrode 92b auffallender elektromagnetischer Strahlung zurück in Richtung der Halbleiterschicht 1 zu verbessern.
Darüber hinaus weist die EWT-Solarzelle aus der 5 auf seiner Lichteinfallseite eine Antireflexionsschicht 11 auf. Eine derartige Antireflexionsschicht 11 kann auch auf der EWT-Solarzelle gemäß der Ausführungsform aus der 4 vorgesehen sein. Alternativ kann bei beiden Ausführungsformen die Induzierschicht 3 zumindest auf der Lichteinfallseite beziehungsweise Vorderseite der Solarzelle als Antireflexionsschicht ausgestaltet sein, so dass eine zusätzliche Antireflexionsschicht 11 nicht mehr nötig ist.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen umfassen im Wesentlichen ebene Schichten von Halbleitern, die sich beliebig weit entlang zweier kartesischer Koordinaten erstrecken. Zwar nicht dargestellt, aber gleichwohl möglich sind auch anders geformte Schichten, beispielsweise schalenförmig oder becherförmig gebogene Schichten. Ferner können diese Schichten inselförmig auf der Solarzelle gebildet sein.

1: Halbleiterschicht
3: Induzierschicht (Pufferschicht)
3a: vorderseitige Induzierschicht (Pufferschicht)
3b: rückseitige Induzierschicht (Pufferschicht)
31: Tunnelkontakt (Tunnelbereich)
4: Inversionsschicht, Akkumulationsschicht
5: Dotierschicht
5': weitere Dotierschicht
6: Heteroübergangsschicht
7: Leitungsschicht
8: Isolierschicht
91: vorderseitige Elektrode
92: rückseitige Elektrode
92a: rückseitige Basiselektrode
92b: rückseitige Emitterelektrode
11: Antireflexionsschicht
12: Durchgangsloch
121: Lochwand

Claims

Solarzelle mit einer Halbleiterschicht (1) mit einer ersten Dotierung, einer auf der Halbleiterschicht (1) angeordneten Induzierschicht (3) und einer aufgrund der Induzierschicht (3) unterhalb der Induzierschicht (3) in der Halbleiterschicht (1) induzierten Inversionsschicht (4) oder Akkumulationsschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) ein Material mit einer Flächenladungsdichte von mindestens 10¹² cm^–2, vorzugsweise von mindestens 5 × 10¹² cm^–2, bevorzugt von mindestens 10¹³ cm^–2 umfasst.
Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht (3) im Wesentlichen aus einem Material mit einer negativen Flächen ladungsdichte gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) Aluminiumoxid umfasst.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Induzierschicht (3) in der Halbleiterschicht (1) eine Diffusionsschicht (5) gebildet ist, wobei die aufgrund der Induzierschicht (3) induzierte Inversionsschicht (4) oder Akkumulationsschicht (4) teilweise oder vollständig in der Diffusionsschicht (5) gebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) pinholefrei gebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) mittels Atomlagenabscheidung gebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induzierschicht (3) eine Dicke in einem Bereich zwischen 0,1 und 10 nm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 nm aufweist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Induzierschicht (3) über im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche der Halbleiterschicht (1) erstreckt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (1) kristallines oder amorphes Silizium umfasst.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Halbleiterschicht (1) abgewandten Seite der Induzierschicht (3) eine Leitungsschicht (7) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Halbleiterschicht (1) abgewandten Seite der Induzierschicht (3) eine kristalline oder amorphe weitere Halbleiterschicht (1) gebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle als rückseitenkontaktierte Solarzelle ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle als eine Emitter-Wrap-Through-Solarzelle ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Induzierschicht (3) vollständig oder teilweise über die Lochwände der Durchgangslöcher (12) der Emitter-Wrap-Through-Solarzelle erstreckt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Induzierschicht (3) über die Halbleiterschicht (1) in den Durchgangslöchern (12), auf nur einer Solarzellenoberfläche und/oder auf beiden Solarzellenoberflächen erstreckt.