DE102009024598A1 - Solarzelle mit Kontaktstruktur mit geringen Rekombinationsverlusten sowie Herstellungsverfahren für solche Solarzellen - Google Patents

Solarzelle mit Kontaktstruktur mit geringen Rekombinationsverlusten sowie Herstellungsverfahren für solche Solarzellen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Konzept für eine hocheffiziente Solarzelle, insbesondere auf Basis qualitativ hochwertigen kristallinen Siliziums, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle vorgeschlagen. Bei der Solarzelle (1) wird eine Kontaktstruktur (3) mit Hilfe einer Schichtenstapelanordnung ausgebildet, die eine erste Schicht (19) aus einem elektrisch isolierenden Material, eine zweite Schicht (21) aus einem Halbleitermaterial und eine dritte Schicht (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist. Die erste, dielektrische Schicht ist hierbei zwischen dem Substrat (17) und der zweiten, halbleitenden Schicht (21) angeordnet und derart ausgebildet, dass ein signifikantes Tunneln von Ladungsträgern zwischen dem Substrat (17) und der zweiten Schicht (21) durch die erste Schicht (19) hindurch ermöglicht ist. Das Halbleitermaterial des Solarzellensubstrates und das Halbleitermaterial der zweiten Schicht weisen aufgrund unterschiedlicher Bandstrukturen verschiedene elektrische Eigenschaften auf. Auf diese Weise kann eine Elektronen-/Loch-Selektivität des Tunnelprozesses innerhalb der Kontaktstruktur beeinflusst werden, wodurch sich durch die Kontaktstruktur bewirkte Rekombinationsverluste signifikant reduzieren lassen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Kontaktstruktur, bei der Verluste aufgrund von Rekombination im Bereich der Kontaktstruktur gering sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für solche Solarzellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Hocheffiziente Solarzellen werden auf Basis von hochqualitativem Halbleitermaterial hergestellt. Beispielsweise werden Silizium-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden von zum Beispiel mehr als 20% häufig unter Verwendung eines hochqualitativen Siliziumwafers hergestellt. Solche hochqualitativen Siliziumwafer werden durch aufwändige Fertigungsverfahren wie beispielsweise das Floatzone-Verfahren (FZ-Si) oder das Czochralski-Verfahren (Cz-Si) gewonnen und weisen meist eine einkristalline Struktur auf. Bei qualitativ hochwertigem Halbleitermaterial sind die Ladungsträgerlebensdauern im Volumen des Materials sehr lang, häufig länger als 1 μs. Bei Solarzellen aus derart hoch qualitativen Halbleitermaterialien ist ein die Solarzellenspannung und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle häufig limitierender Verlustmechanismus durch die Rekombination an den Oberflächen und dort insbesondere in den Kontaktbereichen, wo die Halbleiteroberfläche durch eine zur Ableitung von Ladungsträgern vorgesehene, elektrisch leitende Kontaktstruktur kontaktiert ist, begründet.
  • Bei konventionellen Hocheffizienz-Solarzellen sind die Kontaktbereiche meist hochdotiert, wobei die Reduzierung der Rekombination in den Kontaktbereichen häufig dadurch begrenzt ist, dass die in solchen hochdotierten Kontaktbereichen besonders stark wirkende Auger-Rekombination Verluste herbeiführt.
  • Insbesondere für die Erzeugung eines induzierten pn-Übergangs zu p-Typ Silizium sind Tunnel-Siliziumoxide bekannt, die aufgrund einer entsprechenden Differenz der Austrittsarbeit zwischen Silizium und einem Kontaktmetall eine Bandverbiegung in der Art erzeugen, dass sich eine Elektronen-Anreicherungsschicht, das heißt, eine quasi n-Typ-artige Schicht, an der Oberfläche des Siliziumsubstrats einstellt. Eine solche Kontaktstruktur wird auch als MIS-Tunnelkontakt-Struktur (Metall-Insulator-Semiconductor) bezeichnet. Ist hierbei die als Isolator dienende Oxidschicht dünn genug ausgebildet, können Ladungsträger durch dieses sogenannte Tunnel-Oxid hindurchtunneln, und Metallkontakte auf diesem Tunnel-Oxid können somit einen elektrischen Kontakt zu Ladungsträgern, das heißt im Falle eines n-Typ-Substrates beispielsweise den Elektronen, in dem Siliziumsubstrat herstellen, um diese aus der Solarzelle abzuleiten. Mit solchen Tunnel-Siliziumoxiden kann somit ein n-Typ-Kontakt erzeugt werden. Durch die oberflächliche Anreicherung mit Elektronen und die damit einhergehende Verarmung an „Löchern”, das heißt, einer Verarmung an freien Zuständen im Valenzband, kann eine exzessive Rekombination bei dieser Art von Kontaktstruktur vermieden werden.
  • Günstig kann sich hierbei ergänzend auswirken, dass Siliziumoxide eine elektronische Zustandsdichte an einer Silizium-Siliziumoxid-Grenzfläche im Bereich der Bandlücke stark reduzieren können. Anders ausgedrückt kann Siliziumoxid die Oberfläche des Siliziumsubstrates gut passivieren. Ferner kann das an der Substratoberfläche vorgesehene Siliziumoxid dort zu einer Bandverbiegung führen, die eine Raumladungszone, das heißt, eine Region intrinsischer Ladungsträgerkonzentration, in das defektarme Silizium des hochqualitativen Siliziumsubstrates hineinverlagern. Somit ist es möglich, direkt an der Oberfläche des Halbleiters die Konzentration einer der beiden Ladungsträgertypen (Elektronen oder Löcher) zu verarmen. Auf diese Weise kann eine trotz Passivierung weiterhin rekombinationsaktive Silizium-Siliziumoxid-Grenzfläche von einer für Ladungsträgerrekombination besonders empfindlichen Raumladungszone ferngehalten werden.
  • Allerdings wurde beobachtet, dass auch derartige MIS-Kontaktstrukturen in hocheffizienten Silizium-Solarzellen einen anteilig starken Rekombinationsverlust bei der Solarzelle verursachen können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es kann daher ein Bedarf an einer Kontaktstruktur für hocheffiziente Solarzellen bestehen, die sehr geringe Rekombinationsverluste an der Grenzfläche zwischen der Kontaktstruktur und einem Halbleitersubstrat der Solarzelle ermöglicht. Ferner kann ein Bedarf an entsprechenden hocheffizienten Solarzellen und an einem Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle bestehen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle mit einem Substrat aus einem ersten Halbleitermaterial vorgeschlagen, wobei die Solarzelle zur Bildung einer Kontaktstruktur angrenzend an eine Oberfläche des Substrates eine Schichtenstapelanordnung aufweist. Die Schichtenstapelanordnung weist eine erste Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, eine zweite Schicht aus einem zweiten Halbleitermaterial und eine dritte Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Die erste Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist hierbei zwischen dem Halbleitersubstrat und der zweiten, halbleitenden Schicht angeordnet. Die erste Schicht ist derart ausgebildet, dass ein signifikantes Tunneln von Ladungsträgern zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurch möglich ist. Das erste Halbleitermaterial des Substrates und das zweite Halbleitermaterial der zweiten Schicht weisen aufgrund verschiedener Bandstrukturen verschiedene elektrische Eigenschaften auf.
  • Dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden:
    Zusätzlich zu der bei herkömmlichen MIS-Kontaktstrukturen auf einem Halbleitersubstrat vorgesehenen Schichtenstapelanordnung aus einer ersten Schicht aus elektrisch isolierendem Material, die von Ladungsträgern durchtunnelt werden kann, und einer darüberliegenden, elektrisch leitfähigen zweiten Schicht wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Solarzelle eine Kontaktstruktur vorgesehen, bei der angrenzend an die Tunnel-Schicht aus elektrisch isolierendem Material eine weitere Schicht aus einem Halbleitermaterial vorgesehen ist. Die Tunnel-Schicht ist somit sandwich-artig zwischen dem Solarzellensubstrat und der zweiten Halbleiterschicht eingeschlossen. Ladungsträger, die aus dem Substrat kommend durch die Tunnel-Schicht hindurchtunneln, erreichen somit zunächst die zweite Halbleiterschicht und müssen durch diese hindurchgeleitet werden, bevor sie an einer der Tunnel-Schicht gegenüberliegenden Seite der zweiten Halbleiterschicht eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material erreichen, durch die sie mit geringem elektrischen Widerstand von der Solarzelle abgeleitet werden können. Dadurch, dass die durch die Tunnel-Schicht getunnelten Ladungsträger durch die zweite Halbleiterschicht geleitet werden müssen, kann ein Tunnelstrom durch die Kontaktstruktur hindurch, das heißt, von dem Solarzellensubstrat hin zu der als ableitender elektrischer Kontakt dienenden Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, durch geeignete Wahl der elektrischen Eigenschaften des zweiten Halbleitermaterials beeinflusst werden. Beispielsweise kann durch eine geeignete Wahl des Halbleitermaterials für die zweite Halbleiterschicht die gesamte Bandstruktur der Kontaktstruktur zusammen mit dem Substrat, das heißt der Verlauf des Leitungsbandes und des Valenzbandes entlang der Schichtenstapelanordnung der Kontaktstruktur, in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.
  • Unter der Bandstruktur eines Halbleitermaterials soll in diesem Zusammenhang die energetische Lage und Verteilung der Elektronenzustände des Materials verstanden werden. Hierunter ist insbesondere die energetische Lage der elektronischen Bänder wie Leitungs- und Valenzband bezüglich des Fermilevels oder auch bezüglich der Vakuumenergie zu verstehen. Vor allem ist darunter aber auch der Abstand (Bandgag) der Leitungs- und Valenzbänder zu verstehen. Somit kann durch die Art und Stärke einer Dotierung und/oder durch die Dichte von Defekten die Bandstruktur des Halbleitermaterials beeinflusst werden.
  • Beispielsweise kann eine Elektronen-/Loch-Selektivität des Tunnelprozesses durch die Tunnel-Schicht hindurch verbessert werden. Dies kann zu einer reduzierten Ladungsträger-Rekombination im Bereich der Kontaktstruktur sowie in angrenzenden Bereichen des Substrates führen.
  • Die physikalische Wirkungsweise für die Selektivität für den Elektronen- bzw. für den Loch-Tunnelprozess kann, gemäß einem auf dem derzeitigen physikalischen Verständnis beruhenden Modell, in folgender Weise beschrieben werden: Der Tunnelprozess von einem Ausgangszustand in einen Zielzustand hinein nimmt zu mit der räumlichen Nähe der beiden Zustände. Eine sehr dünne Tunnelbarriere, die also Ausgangs- und Zielzustand räumlich nur wenig trennt, erlaubt hohe Übergangs-Wahrscheinlichkeiten, d. h. Tunnel-Wahrscheinlichkeiten, wohingegen eine dicke Tunnelbarriere den Tunneltransport stark unterdrückt. Ein anderer wichtiger Parameter, der die Tunnelwahrscheinlichkeit beeinflusst ist der energetische Abstand zwischen Ausgangs- und Zielzustand. Liegen Ausgangs- und Zielzustand auf ähnlichem Energieniveau, so ist eine höhere Tunnelwahrscheinlichkeit möglich als bei stark unterschiedlichen Energieniveaus. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um eine Selektivität des Ladungsträgerübergans zu erreichen: Nutzt man als zweiten Halbleiter hinter der Tunnelbarriere, der also die Zielzustände des Tunnelprozesses anbietet, ein Material, das auf der energetischen Höhe der Valenzbandkante des ersten Halbleiters keine oder nur sehr wenige elektronische Zustände aufweist, so kann der Ladungsträgertransport aus dem Valenzband des ersten Halbleiters stark unterdrückt werden. Stehen jedoch gleichzeitig auf der energetischen Höhe der Leitungsbandkante des ersten Halbleiters im zweiten Halbleiter viele elektronische Zustände zur Verfügung, so ist der Ladungsträgertransport aus dem Leitungsband des ersten Halbleiters befördert. Es ist somit für eine Selektivität des Tunnelkontaktes gegenüber Loch- und Elektronentunneln vorteilhaft, wenn kontrolliert auf der jeweiligen Höhe des Valenz- bzw. Leitungsbandes im zweiten Halbleiter elektronische Zustände vorhanden bzw. nicht vorhanden sind. Diese Situation kann besonders gut erreicht werden, wenn der zweite Halbleiter eine größere Bandlücke als der erste Halbleiter aufweist und die jeweilige relative energetische Lage der beiden Bandstrukturen der beiden Halbleiter durch eine geeignete Wahl der Austrittsarbeiten, z. B. durch geeignete Wahl der Dotierungen, in vorteilhafter Weise für die jeweilige Ladungsträgerselektivität angepasst ist. Beispielsweise böte sich für die Ausbildung eines guten Kontaktes zu den Elektronen im Leitungsband eines Siliziumkristalls an, hinter einer Tunnelbarriere einen zweiten Halbleiter aus vorzugsweise Phosphor-dotiertem amorphem Silizium zu verwenden.
  • Mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle werden im Anschluss detaillierter beschrieben.
  • Das hier vorgeschlagene Solarzellenkonzept eignet sich besonders für die Bildung hocheffizienter Solarzellen, bei denen aufgrund der Tatsache, dass durch die Verwendung von hochqualitativem Halbleitermaterial für das Substrat der Solarzelle Rekombinationsverluste im Inneren des Substrates gering sind, die an einer Grenzfläche zwischen dem Solarzellensubstrat und einer Kontaktstruktur auftretenden Rekombinationsverluste einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle haben. Für derart hocheffiziente Solarzellen werden im Fall von Silizium als Halbleitermaterial häufig Floatzone-Siliziumwafer oder Cz-Siliziumwafer verwendet. Insbesondere n-Typ-Wafer können mit sehr hoher elektronischer Qualität, das heißt sehr großen Ladungsträgerlebensdauern, hergestellt werden und eignen sich somit besonders für Hoch-Effizienz-Solarzellen. Die Ladungsträgerlebensdauer innerhalb solcher Wafer ist meist größer als 500 μs, häufig größer als 1 ms und auch deutlich darüber hinaus. Die erreichbaren Wirkungsgrade solcher Silizium-Solarzellen sind typischerweise oberhalb von 20%.
  • Die an die Oberfläche des Solarzellensubstrates angrenzende Kontaktstruktur kann zur Ableitung von Ladungsträgern, die durch Bestrahlung mit Licht innerhalb des Solarzellensubstrats gebildet bzw. lokal getrennt wurden, dienen. Die Kontaktstruktur sollte hierbei derart ausgebildet sein, dass von jedem Punkt innerhalb des Solarzellensubstrates aus die dort gebildeten Ladungsträger nur einen geringen Weg bis zu einer jeweiligen Kontaktstruktur zurückzulegen brauchen und die Ladungsträger nur mit geringen Widerstandsverlusten aufgrund von Kontaktwiderständen zwischen der Kontaktstruktur und dem Substrat sowie aufgrund von seriellen Widerständen innerhalb des Substrates sowie innerhalb der Kontaktstruktur hin zu der dritten Schicht der Kontaktstruktur aus elektrisch leitfähigem Material gelangen können. Sobald die Ladungsträger diese elektrisch leitfähige Schicht erreicht haben, sollen sie mit geringen, vorzugsweise zu vernachlässigenden Serienwiderstandsverlusten entlang der dritten Schicht zur Ableitung aus der Solarzelle heraus geleitet werden, beispielsweise hin zu einem sammelnden Busbar der Solarzelle.
  • Beispielsweise kann die Kontaktstruktur als Finger-artiges Grid über die Vorderseite und/oder die Rückseite des Solarzellensubstrates verteilt sein. Alternativ kann die Kontaktstruktur aber auch jede andere, zur elektrischen Kontaktierung von Solarzellen geeignete geometrische Struktur aufweisen, wie zum Beispiel eine Punkt-Kontakt-Struktur oder auch eine eine Oberfläche des Solarzellensubstrats ganzflächig bedeckende Struktur.
  • Der Begriff „Schichtenstapelanordnung” kann darauf hinweisen, dass die Schichten der Kontaktstruktur stapelartig übereinander angeordnet sein können. Jede Schicht für sich kann dabei aus einem homogenen Material gebildet sein. Alternativ kann jedoch auch jede der Schichten für sich wiederum aus mehreren einzelnen Schichten zusammengesetzt sein. Die erste Schicht aus elektrisch isolierendem Material, die zweite Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial und die dritte Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material können in der Schichtenstapelanordnung in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sein. Die Schichten können unterschiedliche, ihren einzelnen Zwecken angepasste Dicken und/oder Breiten aufweisen. Zwischen den einzelnen Schichten können optional zusätzliche Schichten vorgesehen sein, die anderen Zwecken wie zum Beispiel einer Oberflächenpassivierung dienen können oder die durch die verwendeten Herstellungsverfahren bedingt sind.
  • Die erste Schicht der Stapelanordnung besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Hierbei kann die Formulierung „elektrisch isolierend” derart verstanden werden, dass das Material selbst aufgrund von in dem Material vorhandenen freien Ladungsträgern unter für eine Solarzelle üblichen Betriebsbedingungen nicht in der Lage ist, einen im Einsatz der Solarzelle wesentlichen Strom zu leiten. Beispielsweise kann das isolierende Material einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 1010 Ohm-Meter aufweisen. Beispiele isolierender Materialien sind Dielektrika wie z. B. Siliziumoxid (SiOx), Siliziumnitrid (SixNy) oder Aluminiumoxid (Al2O3).
  • Die erste Schicht ist zwischen dem Substrat und der zweiten, halbleitenden Schicht angeordnet. Vorzugsweise steht die erste Schicht in direktem mechanischem Kontakt mit dem Substrat und/oder der zweiten Schicht. Um die erste Schicht derart auszubilden, dass ein signifikantes Tunneln von in dem Substrat erzeugten Ladungsträgern durch die erste Schicht hindurch in Richtung der zweiten Schicht möglich ist, kann die erste Schicht mit einer sehr geringen Dicke von beispielsweise zwischen 0,5 nm und 5 nm, vorzugsweise zwischen 0,8 nm und 3 nm und stärker bevorzugt zwischen 1 nm und 2 nm ausgebildet sein. Obwohl das für die erste Schicht verwendete Material keine bzw. unwesentliche elektrisch leitende Eigenschaften aufgrund herkömmlicher Leitungsmechanismen aufweist, kann es durch eine derart dünne Schicht zu Tunnelströmen kommen, bei denen Ladungsträger die von der isolierenden ersten Schicht erzeugte Energiebarriere aufgrund deren geringer geometrischer Dicke wegen quantenmechanischer Prozesse durchtunneln können. Die für den Einsatz in einer Solarzelle optimale maximale Dicke der ersten Schicht hängt dabei unter anderem von der zu erwartenden Stromdichte, dem für den Einsatz in der Solarzelle noch zu tolerierenden, durch die erste Schicht bewirkten elektrischen Widerstand sowie von der energetischen Höhe der von der ersten Schicht bewirkten Energiebarriere ab.
  • Die zweite Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial grenzt vorzugsweise direkt an die erste Schicht an. Die zweite Schicht kann typischerweise Dicken im Bereich von 5 nm bis 2 μm aufweisen. Die zweite Schicht kann aber auch wesentlich größere Dicken aufweisen und eine Maximaldicke ist hauptsächlich durch einen von einer dicken zweiten Schicht bewirkten übermäßigen Serienwiderstand begrenzt. Das zweite Halbleitermaterial der zweiten Schicht unterscheidet sich hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften von dem ersten Halbleitermaterial des Solarzellensubstrates. Diese unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften resultieren aus unterschiedlichen Bandstrukturen des ersten und des zweiten Halbleitermaterials. Die elektronischen Bandstrukturen eines Halbleitermaterials hängen hierbei insbesondere von den Bandlücken der Halbleitermaterialien, aber auch von der Art und Stärke der Dotierung der Halbleitermaterialien ab. Zum Beispiel weist schwach dotiertes oder intrinsisches kristallines Silizium (c-Si) eine Bandlücke von etwa 1,1 eV auf. Amorphes Silizium (a-Si) weist typischerweise eine Bandlücke von 1,5–2,0 eV auf. Sehr stark dotiertes Halbleitermaterial kann im Vergleich zu schwach dotiertem Halbleitermaterial aufgrund sogenannten „Band-Gap-Narrowings” eine verkleinerte Bandlücke aufweisen.
  • Aufgrund der unterschiedlichen elektronischen Bandstrukturen des ersten und des zweiten Halbleitermaterials kann eine Elektronen-/Loch-Selektivität des Tunnelprozesses durch die dazwischen liegende erste Schicht durch die Wahl geeigneter Halbleitermaterialien beeinflusst werden.
  • Die dritte Schicht wird mit einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und grenzt vorzugsweise direkt an die zweite Schicht an. Somit bildet die dritte Schicht den eigentlichen elektrischen Kontakt der Solarzelle, mit Hilfe dessen durch Lichteinstrahlung in der Solarzelle generierte Ladungsträger nach außen, beispielsweise hin zu einem Verbraucher, abgeleitet werden können. Wie weiter unten detailliert ausgeführt, kann die dritte Schicht dabei homogen aus einem einzigen Material, beispielsweise einem leitfähigen Metall oder einem leitfähigen Oxid bestehen. Alternativ kann die dritte Schicht auch aus einem Gemisch oder einer Schichtenfolge aus solchen elektrisch leitfähigen Materialien bestehen. Die dritte Schicht kann typischerweise Dicken im Bereich von 1 bis 100 μm, vorzugsweise 10 bis 30 μm, aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Halbleitermaterial mit kristallinem Silizium ausgebildet und das zweite Halbleitermaterial ist mit amorphem Silizium ausgebildet. Hochqualitatives kristallines Silizium wurde hierbei als zur Bildung von hocheffizienten Solarzellen geeignetes Material erkannt. Während das vorzugsweise einkristalline Silizium als Wafer ausgebildet sein kann, kann die amorphe Siliziumschicht in einfacher Weise über der als Tunnelbarriere dienenden ersten Schicht beispielsweise mittels chemischer Gasphasen Deposition (CVD), Plasma-unterstützter chemischer Gasphase Deposition (PE-CVD) oder mittels der Sputtertechnik abgeschieden werden. Das amorphe Silizium der zweiten Schicht weist dabei eine wesentlich größere Bandlücke auf als das kristalline Silizium des Substrates. Je nach Dotierung, das heißt p-Typ oder n-Typ, bzw. fehlender Dotierung, das heißt intrinsisches Silizium, weist das amorphe Silizium unterschiedliche Bandstrukturen auf. Außerdem lässt sich die Bandlücke des amorphen Siliziums auch durch die Art der Herstellung der amorphen Siliziumschicht und insbesondere durch den Gehalt an in der amorphen Siliziumschicht enthaltenem Wasserstoff beeinflussen.
  • Somit kann die Elektronen-/Loch-Selektivität des Tunnelprozesses durch die Art des amorphen Siliziums bzw. durch die Art der Herstellung der zweiten Schicht aus amorphem Silizium beeinflusst werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das die erste Schicht bildende elektrisch isolierende Material Aluminiumoxid (z. B. Al2O3) auf. Mit anderen Worten kann die als Tunnelbarriere dienende erste Schicht als eine Al2O3-Schicht, wie sie beispielsweise durch Atomlagendeposition (ALD) oder mittels Plasmaverfahren abgeschieden werden kann, gebildet werden. Die Al2O3-Schicht kann die Eigenschaft haben, dass sie die elektronische Zustandsdichte an einer Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und der Al2O3-Schicht im Bereich der Bandlücke des Halbleitermaterials stark reduzieren kann. Insbesondere bei Silizium als Halbleitermaterial hat sich Aluminiumoxid als die Substratoberfläche gut passivierend herausgestellt. Besonders vorteilhaft für die Ausbildung von p-Typ-Tunnelkontakten kann ausgenutzt werden, dass Al2O3 auf Silizium in einer solchen Weise abgeschieden werden kann, dass die Al2O3-Schicht gegenüber dem Silizium negativ geladen ist und somit durch die Anziehung von „Löchern”, das heißt, elektronisch nicht besetzten Zuständen im Valenzband, im Silizium an der Grenzfläche zu der Al2O3-Schicht eine „Loch”-Anreicherungsschicht mit p-Typ-Charakter erzeugen kann. Auf diese Weise kann bei dem vorgestellten Solarzellenkonzept mit Hilfe einer Al2O3-Schicht ein rekombinationsarmer p-Typ-Tunnelkontakt erzeugt werden. Je nach Depositionstechnik kann der Effekt der negativen Aufladung der Al2O3-Schicht verringert bzw. vermieden werden, so dass durch die Wahl eines geeigneten Kontaktmaterials mit gegenüber Silizium geeignet verschiedener Austrittsarbeit auch ein n-Typ-Kontakt erzeugt werden kann, der ebenfalls eine hohe elektronische Qualität aufweist. Diese hohe elektronische Qualität kann aus der Eigenschaft der auf das Silizium aufgebrachten Al2O3-Schicht, dass die elektronische Zustandsdichte an der Grenzfläche zwischen Silizium und Al2O3-Schicht im Bereich der Bandlücke des Siliziums stark reduziert sein kann, resultieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das elektrisch leitfähige Material der dritten Schicht mit Metall ausgebildet. Typische Metalle, wie sie zur Bildung von elektrischen Kontakten auf Solarzellen verwendet werden, sind zum Beispiel Silber (Ag), Aluminium (Al), Zinn (Sn) und Kupfer (Cu). Das Metall kann zum Beispiel aufgedampft, aufgesputtert, aufgedruckt oder in anderer Weise epitaktisch abgeschieden werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das elektrisch leitfähige Material der dritten Schicht mit einem leitfähigen Oxid ausgebildet. Leitfähige Oxide können die Eigenschaft aufweisen, für eingestrahltes Sonnenlicht optisch weitgehend transparent zu sein und dennoch eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, vorzugsweise eine für das Ableiten der innerhalb der Solarzelle generierten Ladungsträger ausreichende elektrische Leitfähigkeit, aufzuweisen. Typische für Solarzellen verwendete leitfähige Oxide sind zum Beispiel SnO2:F, ZnO:Al, ITO oder TiOx. Solche leitfähigen Oxide können beispielsweise mit Hilfe von Sputterdepositionstechnik, CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), PE-CVD Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), MOCVD-Verfahren (Metal Organic CVD) oder Aufdampftechniken aufgebracht werden.
  • Es kann vorteilhaft sein, die dritte Schicht sowohl aus einer Schicht aus leitfähigem Oxid als auch aus einer Schicht aus Metall auszubilden. Beide Schichten können zu einer Reduzierung von Serienwiderständen innerhalb der Solarzelle beitragen. Dabei kann z. B. die Schicht aus leitfähigem Oxid in direktem Kontakt mit der halbleitenden zweiten Schicht stehen und, da sie optisch transparent ist, über die gesamte Oberfläche der Solarzelle ausgebildet sein. Darüber kann lokal, beispielsweise in Form länglicher Finger, lokal eine Metallschicht ausgebildet sein. Ladungsträger können innerhalb der leitfähigen Oxidschicht hin zu den Metallfingern transportiert werden und dann innerhalb der Metallfinger mit geringem elektrischem Widerstand hin zu einem sammelnden Busbar strömen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial entgegengesetzte Halbleitertypen auf. Mit anderen Worten kann das erste Halbleitermaterial beispielsweise vom n-Halbleitertyp sein und das zweite Halbleitermaterial vom p-Halbleitertyp oder umgekehrt. Beispielsweise kann für das Substrat hochqualitatives kristallines Silizium vom n-Typ verwendet werden und für die zweite Schicht kann amorphes Silizium vom p-Typ verwendet werden. Dabei kann genutzt werden, dass die dazwischen liegende erste Schicht beispielsweise bei Verwendung von Aluminiumoxid negativ geladen sein kann. Aufgrund dieser negativen Ladung kann an einer angrenzenden Oberfläche des Substrates lokal eine positiv geladene Region, das heißt eine Region vom p-Typ, induziert werden. Diese induzierte p-Typ-Region kann beispielsweise innerhalb eines n-Typ-Wafers als lokaler Emitter wirken und die generierten Ladungsträger können von der induzierten p-Typ-Region durch die isolierende erste Schicht hindurch hin zu der p-Typ-artigen zweiten halbleitenden Schicht tunneln.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen der ersten Schicht aus elektrisch isolierendem Material und der zweiten Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial eine weitere Schicht aus intrinsischem Halbleitermaterial ausgebildet. Aufgrund der weitgehend fehlenden Dotierung tritt innerhalb einer solchen intrinsischen Halbleiterschicht eine sehr geringe Rekombination auf, wodurch die Gesamtrekombination innerhalb der Kontaktstruktur weiter reduziert werden kann.
  • In diesem Fall ist ein möglicher physikalischer Wirkmechanismus der Struktur mit Tunneloxid am günstigsten von dem Ausgangspunkt zu erklären, bei dem kein Tunneloxid vorliegt. Diese Struktur ohne Tunneloxid ist beispielsweise ein Heteroübergang zwischen einem kristallinen Siliziumsubstrat und einer intrinsischen amorphen Siliziumschicht, auf der sich eine weitere amorphe Siliziumschicht mit Dotierung befindet. Für die effiziente Wirkungsweise dieser Struktur kann es von essentieller Bedeutung sein, dass die Zustandsdichte an der Grenzfläche zwischen dem kristallinen Substrat und der intrinsischen Schicht aus amorphem Silizium sehr gering ist, d. h. dass die amorphe Siliziumschicht die Grenzfläche sehr gut passiviert. An dieser Stelle soll die gemäß dieser Ausführungsform vorgeschlagene Verwendung einer Tunneloxidschicht zwischen kristallinem Substrat und amorpher Schicht diese Passivierung der Grenzflächenzustände erzielen. Hierfür ist zum Beispiel auf kristallinem Silizum die Verwendung von mittels Atomlagen-Deposition (ALD) abgeschiedenen Al2O3 besonders vorteilhaft, das eine sehr geringe Grenzflächenzustandsdichte zu kristallinem Silizium erreichen kann. Ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt des vorgeschlagenen Einsatzes einer Tunneloxid-Zwischenschicht zwischen kristallinem Substrat und amorpher Siliziumschicht kann dabei sein, dass die Ladungen in der Tunneloxid-Schicht gezielt genutzt werden können, um für die Solarzellenfunktionsweise vorteilhafte Verbiegungen der elektronischen Bänder zu erreichen. In dieser Weise kann die sich durch Bandkanten-Diskontinuitäten zwischen kristallinem und amorphem Silizium ausbildenden effektiven Barrierenhöhen vermindert werden, so dass der elektronische Transport unter Verwendung eines solchen erfindungsgemäßen Tunneloxides sogar mit weniger Verlusten erfolgen kann als ohne Tunneloxid.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in dem Substrat an einer Oberfläche p-Typ-artige Bereiche und n-Typ-artige Bereiche ausgebildet. Bereiche beider Leitungstypen können an der gleichen Substratoberfläche, im Falle einer Rückkontaktsolarzelle beispielsweise an der Rückseite der Solarzelle, ausgebildet sein. Die verschiedenartigen Bereiche können durch lokales Eindiffundieren von geeigneten Dotanden erzeugt werden. Alternativ können in einem Substrat eines Halbleitertyps lokal Bereiche eines entgegengesetzten Halbleitertyps induziert werden, beispielsweise aufgrund einer angrenzenden, entsprechend geladenen ersten Schicht aus isolierendem Material. Zumindest an einem der p-Typ-Bereiche und der n-Typ-Bereiche kann zur Bildung einer Kontaktstruktur die vorangehend beschriebene Schichtenstapelanordnung aus erster, zweiter und dritter Schicht ausgebildet sein. Es können auch sowohl die p-Typ-Bereiche als auch die n-Typ-Bereiche mit Kontaktstrukturen mit jeweiligen Schichtenstapelanordnungen kontaktiert werden. Alternativ kann ein Typ von Bereichen mit der beschriebenen Kontaktstruktur aus einer Schichtenstapelanordnung kontaktiert werden und Bereiche des entgegengesetzten Leitungstyps können mit anderen Kontaktstrukturen wie zum Beispiel herkömmlicher direkter Kontaktierung mit einer Metallschicht kontaktiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zur Bildung einer Kontaktstruktur sowohl an den p-Typ-artigen Bereichen als auch an den n-Typ-artigen Bereichen eine jeweilige Schichtenstapelanordnung ausgebildet, wobei das zweite Halbleitermaterial zur Bildung der Schichtenstapelanordnung, die die p-Typ-artigen Bereiche kontaktiert, und das zweite Halbleitermaterial zur Bildung der Schichtenstapelanordnung, die die n-Typ-artigen Bereiche kontaktiert, verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können die beiden in den verschiedenen Schichtenstapelanordnungen verwendeten Halbleitermaterialien sich hinsichtlich ihres Halbleitertyps und/oder hinsichtlich ihrer Bandlücke unterscheiden. Zum Beispiel kann die Schichtenstapelanordnung zur Kontaktierung von n-Typ-artigen Bereichen als Halbleitermaterial als zweites Halbleitermaterial amorphes n-Typ-Silizium aufweisen, wohingegen die Schichtenstapelanordnung zur Kontaktierung von p-Typ-artigen Bereichen als zweites Halbleitermaterial amorphes p-Typ-Silizium aufweisen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an einem Bereich des Substrates zwischen benachbarten durch jeweilige Schichtenstapelanordnungen kontaktierten Bereichen eine dazwischen liegende Schicht vorgesehen, die andere elektrische Eigenschaften aufweist als die elektrisch isolierenden Schichten der jeweiligen angrenzenden Schichtenstapelanordnungen. Die andersartigen elektrischen Eigenschaften der dazwischen liegenden Schicht im Vergleich zu den ersten Schichten der angrenzenden Schichtenstapelanordnungen können zum Beispiel durch die Dicke, die Struktur und/oder das Material der dazwischen liegenden Schicht bewirkt sein. Beispielsweise kann zwischen benachbarten Schichtenstapelanordnungen ein Bereich vorgesehen sein, in dem eine isolierende Schicht angeordnet ist, die wesentlich dicker ausgebildet ist als die ersten Schichten aus isolierendem Material der jeweiligen angrenzenden Schichtenstapelanordnungen. Alternativ kann die dazwischen liegende Schicht durch eine oder mehrere Schichten, die als Teilkomponenten der Schichtenstapelanordnungen vorhanden sind, ausgebildet sein. Weiterhin alternativ kann die dazwischen liegende Schicht durch Schichten oder Schichtsysteme ausgebildet sein, die nicht ebenfalls in den angrenzenden Schichtenstapelanordnungen enthalten sind. Die dazwischen liegende Schicht kann auch mit einer Kombination aus Schichten oder Schichtsystemen ausgebildet sein, die zum Teil ebenfalls in den angrenzenden Schichtenstapelanordnungen enthalten sind und zum Teil nicht in den angrenzenden Schichtenstapelanordnungen enthalten sind. Die anders gearteten elektrischen Eigenschaften der dazwischen liegenden Schicht können alternativ auch daher rühren, dass die Oberfläche des Solarzellensubstrates an dieser Position nicht oder zumindest nicht direkt angrenzend mit dem isolierenden Material der ersten Schicht der Schichtenstapelanordnungen beschichtet ist, sondern mit einem anderen Material, das vorzugsweise zur Oberflächenpassivierung des Solarzellensubstrates geeignet ist. Beispielsweise kann diese anders geartete dazwischen liegende Schicht im Bereich zwischen den die Tunnel-Kontaktstruktur bildenden Schichtenstapelanordnungen aus Siliziumoxid gebildet sein, das nicht mit einer weiteren Schicht bedeckt ist, oder aber das zumindest teilweise mit einer weiteren Schicht oder einem Schichtsystem bedeckt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Solarzelle mit der Schichtenstapelanordnung zur Bildung einer ersten Kontaktstruktur zu Bereichen einer ersten Polarität der Solarzelle ausbildet, wobei ferner eine zweite Kontaktstruktur zu Bereichen der Solarzelle mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität ausgebildet ist, wobei bei der zweiten Kontaktstruktur eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material das Substrat der Solarzelle direkt kontaktiert. Mit anderen Worten können bei dieser Ausgestaltung der Solarzelle Bereiche einer ersten Polarität, das heißt, eines ersten Halbleitertyps, beispielsweise mit der oben beschriebenen Schichtenstapelanordnung kontaktiert sein, wohingegen Bereiche der entgegengesetzten Polarität mit herkömmlichen, direkt an das Solarzellensubstrat angrenzenden Metallkontakten kontaktiert werden, die somit nicht als Tunnelkontakte ausgebildet sind. Es kann hierbei vorteilhaft sein, die Bereiche, die den gleichen Halbleitertyp aufweisen wie die Grunddotierung des Solarzellensubstrates, direkt mit Metall zu kontaktieren und die Bereiche entgegengesetzter Polarität, das heißt entgegengesetzten Halbleitertyps bezogen auf den Halbleitertyp des Solarzellensubstrats, mit der beschriebenen Schichtenstapelanordnung zu kontaktieren. Besonders vorteilhaft kann hierbei ausgenutzt werden, dass die Bereiche entgegengesetzten Halbleitertyps durch die Schichtenstapelanordnung selbst lokal induziert werden können und somit nicht durch separate Prozessschritte erzeugt werden brauchen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle vorgeschlagen, das das Bereitstellen eines Substrates aus einem ersten Halbleitermaterial und das Ausbilden einer Schichtenstapelanordnung zur Bildung einer Kontaktstruktur angrenzend an eine Oberfläche des Substrates aufweist. Die Schichtenstapelanordnung kann hierbei die weiter oben in Bezug auf die erfindungsgemäße Solarzelle beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
  • Die einzelnen Schichten bzw. deren Strukturen können dabei unter Verwendung der teilweise weiter oben bereits beschriebenen Schichtherstellungsverfahren wie zum Beispiel ALD (Atomic Layer Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), LPCVD (Liquid Phase CVD), MOCVD (Metal Organic CVD) und/oder weiterer CVD-Verfahren, Sputterverfahren, Aufdampfverfahren, Druck- und/oder Dispense-Verfahren, etc. hergestellt werden. Hierbei können beispielsweise die einzelnen Schichten zunächst ganzflächig aufgebracht werden und in der Folge durch nasschemische Ätzverfahren und/oder Plasma-Ätzverfahren strukturiert werden. Es können auch Laserablationsverfahren genutzt werden, um die abgeschiedenen Schichten zu strukturieren. Dabei können herkömmliche chemische Ätzverfahren und Laserablationsverfahren auch miteinander kombiniert werden. Besonders vorteilhaft kann das direkt strukturierte Aufbringen von Schichten bzw. Schichtsystemen sein. Hierfür können beispielsweise Abschattungsmasken während der Beschichtung verwendet werden. Alternativ können lokale Depositionstechniken wie zum Beispiel Inkjet-Verfahren, Dispense-Verfahren oder Siebdruckverfahren verwendet werden.
  • Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung teilweise in Bezug auf die erfindungsgemäße Solarzelle und teilweise in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch jeweils analog auf das Herstellungsverfahren bzw. die Solarzelle übertragen werden können und umgekehrt. Insbesondere können die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.
  • Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Solarzelle zusätzlich zu der eingehend erläuterten Kontaktstruktur noch weitere Merkmale beispielsweise in Form zusätzlicher Schichten aufweisen kann. Beispielsweise kann die Solarzelle ergänzend Antireflexschichten, Passivierungsschichten, etc. aufweisen. Analog kann das Verfahren zur Herstellung der Solarzelle auch noch weitere Prozessschritte wie beispielsweise Diffusionsschritte, Maskierungsschritte, Reinigungsschritte, Epitaxieschritte, etc. aufweisen. Obwohl die Erfindung hierin meist mit Bezug auf Silizium als Halbleitermaterial beschrieben ist, können auch andere Halbleitermaterialien eingesetzt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite einer Solarzelle mit einer Kontaktstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Schichtenstapelanordnung einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht einer Solarzelle mit verschiedenartigen Schichtenstapelanordnungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht einer Solarzelle mit einem dazwischen liegenden Bereich zwischen verschiedenartigen Schichtenstapelanordnungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht einer Solarzelle mit einer alternativ ausgestalteten dazwischen liegenden Schicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine Schnittansicht einer Solarzellenanordnung mit Schichtenstapelanordnungen mit einer zusätzlichen intrinsischen Halbleiterschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt eine Schnittansicht einer Solarzelle mit unterschiedlich ausgestalteten Kontaktstrukturen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sich entsprechende bzw. gleich wirkende Merkmale sind in den Figuren mit ähnlichen oder gleichen Bezugszeichen versehen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite einer Solarzelle 1. Die Solarzelle 1 weist eine Kontaktstruktur 3 auf. Die Kontaktstruktur 3 weist zwei ineinander verschachtelte Grids 5, 7 auf, bei denen längliche Finger 9, 11 jeweils mit einem Busbar 13, 15 verbunden sind. Eines der beiden Grids 5, 7 dient hierbei zum Kontaktieren der Solarzelle in Bereichen positiver Polarität, das heißt in Bereichen mit vom p-Halbleitertyp, wohingegen das andere Grid 7, 5 Bereiche entgegengesetzter Polarität, das heißt in diesem Fall vom n-Halbleitertyp, kontaktiert.
  • 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Schichtenfolgenanordnung zur Bildung einer Kontaktstruktur 3 auf einer Solarzelle 1. Auf einem als Substrat 17 wirkenden hochqualitativen kristallinen Siliziumwafer ist eine erste Schicht 19 aus elektrisch isolierendem Aluminiumoxid (Al2O3) abgeschieden. Die erste Schicht 19 hat eine Dicke von 1 bis 2 nm. Über der ersten Schicht 19 ist eine zweite Schicht 21 aus amorphem Silizium ausgebildet. Die zweite Schicht weist eine Dicke von 5–30 nm auf. Aufgrund der unterschiedlichen energetischen Bandlücken des kristallinen Siliziums für das Substrat 17 und des amorphen Siliziums für die zweite Schicht 21 kann eine Elektronen-/Loch-Selektivität hinsichtlich des Tunnelprozesses durch die dünne dielektrische erste Schicht 19 hindurch beeinflusst werden.
  • Angrenzend an die zweite Schicht 21 ist eine dritte, leitfähige Schicht 22 angeordnet. Die dritte Schicht 22 weist ihrerseits eine Schicht 23 aus elektrisch leitfähigem Oxid, beispielsweise ZnO:Al, mit einer Dicke von 200 bis 300 nm und eine Metallschicht 25, beispielsweise aus Aluminium, mit einer Dicke von 3–50 μm auf.
  • Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform einer Solarzelle 1 sind an einem Halbleitersubstrat 17 lokal Kontaktstrukturen 3 mit zwei verschiedenen Grids 5, 7 mit jeweils unterschiedlichen Schichtenstapelanordnungen dargestellt. Hierbei ist ein erstes Grid 5 mit einer ersten Schichtenstapelanordnung zur Ausbildung eines Kontaktes negativer Polarität zu n-Typ-Bereichen 43 des Substrates 17 und ein zweites Grid 7 mit einer davon verschiedenen Schichtenstapelanordnung zur Ausbildung eines Kontaktes positiver Polarität zu p-Typ-Bereichen 41 vorgesehen. Beide Schichtenstapelanordnungen umfassen eine gemeinsame als Tunnelbarriere wirkende dielektrische Schicht 19 aus Aluminiumoxid. Die darüber befindlichen Teilschichtenanordnungen der beiden Grids 5, 7 können sich jedoch hinsichtlich der verwendeten Materialien und Schichtstrukturen unterscheiden. Beispielsweise können für die jeweiligen zweiten, halbleitenden Schichten der Grids 5, 7 unterschiedliche Halbleitermaterialien und/oder unterschiedliche dotierte Halbleitermaterialien, zum Beispiel amorphes p-Typ-Silizium und amorphes n-Typ-Silizium, verwendet werden. Auch die leitenden Strukturen der dritten Schicht 22 können sich bei den beiden Grids 5, 7 unterscheiden (in 3 lediglich schematisch dargestellt).
  • Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer Solarzelle 1 sind an einem kristallinen Siliziumsubstrat 17 ebenfalls wie bei der Ausführungsform aus 3 zwei verschiedene Schichtenstapelanordnungen zur Bildung von Grids 5, 7 entgegengesetzter Polarität ausgebildet. Allerdings ist hierbei die als Tunnelbarriere dienende erste Schicht 19 nicht durchgängig ausgebildet. Stattdessen ist in Bereichen zwischen benachbarten Schichtenstapelanordnungen der Grids 5, 7 eine dazwischen liegende Schicht 27 vorgesehen, die andere Eigenschaften als die erste Schicht 19 aufweist. Insbesondere kann die dazwischen liegende Schicht 27 eine größere Dicke und damit bessere elektrisch isolierende und/oder passivierende Eigenschaften als die zu durchtunnelnde erste Schicht 19 aufweisen. Zum Beispiel kann die erste Schicht 19 mit einer dünnen Aluminiumoxidschicht ausgebildet sein, wohingegen die dazwischen liegende Schicht 27 mit einer wesentlich dickeren, beispielsweise etwa 100 bis 300 nm dicken Siliziumoxidschicht ausgebildet sein kann.
  • Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform einer Solarzelle 1 ist in einem Bereich zwischen Schichtenstapelanordnungen für Grids 5, 7 entgegengesetzter Polarität ebenfalls eine Region mit einer dazwischen liegenden Schicht 29 mit elektrischen Eigenschaften, die sich von denjenigen der dielektrischen Schichten 19 im Bereich der Schichtenstapelanordnungen der Grids 5, 7 unterscheiden, vorgesehen. Im Gegensatz zu der in 4 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich hier jedoch die in den Schichtenstapelanordnungen ausgebildete erste Schicht 19 auch in die Bereiche zwischen benachbarten Grids 5, 7 hinein und überlagert in dem gezeigten Beispiel die ausschließlich in den Zwischenbereichen vorgesehene zusätzliche dazwischen liegende Schicht 29, die beispielsweise aus Siliziumoxid ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann zunächst in den Bereichen zwischen benachbarten Grids 5, 7 die dazwischen liegende Siliziumoxidschicht 29 lokal abgeschieden werden, beispielsweise mit Hilfe von Schattenmasken. Alternativ dazu kann diese Siliziumoxidschicht 29 ganzflächig in einem thermischen Prozess auf dem Siliziumsubstrat aufgewachsen werden und anschließend strukturiert werden. Anschließend kann ganzflächig eine sehr dünne Aluminiumoxidschicht 19 abgeschieden werden. In den Bereichen neben der dazwischen liegenden Schicht 29, das heißt, dort, wo die Aluminiumoxidschicht 19 direkt an das Substrat 17 angrenzt, können anschließend die weiteren Schichten, das heißt, die zweite halbleitende Schicht 21 und die dritte elektrisch leitfähige Schicht 22, der beiden Grids 5, 7 ausgebildet werden. Statt einer durchgehenden Aluminiumoxidschicht 19 kann diese alternativ auch teilweise unterbrochen oder lokal perforiert ausgebildet werden.
  • Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform einer Solarzelle 1 wird bei den Schichtenfolgen der Grids 5, 7 zusätzlich eine nicht-dotierte, intrinsische Schicht 31 aus amorphem Silizium zwischen die als Tunnelbarriere dienende erste Schicht 19 aus Aluminiumoxid und jeweiligen zweiten Schichten 33, 35 aus amorphem Silizium zwischengelagert. Die nicht-dotierte, intrinsische Schicht 31 weist eine besonders niedrige Rekombination auf und kann somit zur Reduzierung der Rekombinationsverluste innerhalb der Kontaktanordnung 3 beitragen. Die zweiten halbleitenden Schichten 33, 35 der beiden Grids 5, 7 unterschiedlicher Polarität unterscheiden sich auch hinsichtlich ihres Halbleitertyps entsprechend. Für das Grid 5 negativer Polarität wird für die zweite Schicht 35 amorphes n-Typ Silizium verwendet, wohingegen für das Grid 7 positiver Polarität für die zweite Schicht 33 amorphes p-Typ Silizium verwendet wird.
  • Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform einer Solarzelle 1 sind das Grid 7 positiver Polarität und das Grid 5' negativer Polarität strukturell unterschiedlich ausgebildet. Während das Grid 5' negativer Polarität wie ein herkömmlicher Metallkontakt ausgebildet ist, bei dem zum Beispiel ein Aluminiumkontakt 37 durch eine lokal geöffnete dicke Dielektrikumschicht 39 hindurch einen stark dotierten n+-Typ-Bereich 41 innerhalb eines n-Typ-Substrates 17 kontaktiert, wird das Grid 7 positiver Polarität durch eine Schichtenfolgenanordnung gebildet. Die Schichtenfolgenanordnung weist dabei angrenzend an das n-Typ-Substrat 17 eine durchtunnelbare dielektrische erste Schicht 19 und daran angrenzend eine zweite Schicht 33 aus amorphem p-Typ-Silizium auf. Darüber folgt eine leitende dritte Schicht 22 mit einer Schicht 23 aus leitendem Oxid und einer Metallschicht 25. Es wird hierbei ausgenutzt, dass die Aluminiumoxidschicht 19 negativ geladen ist und somit an einer angrenzenden Oberfläche des Siliziumsubstrates 17 positiv geladene Löcher anzieht und somit lokal ein p-Typ-Bereich 43 induziert. Dieser p-Typ-Bereich, der als lokaler Emitter für die hocheffiziente Solarzelle 1 dienen kann, wird somit von der Schichtenfolgenanordnung des Grids 7 elektrisch kontaktiert.
  • Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen” etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Solarzelle
    3
    Kontaktstruktur
    5
    Grid negativer Polarität
    7
    Grid positiver Polarität
    9
    Kontaktfinger
    11
    Kontaktfinger
    13
    Busbar
    15
    Busbar
    17
    Substrat
    19
    Erste, dielektrische Schicht
    21
    Zweite, halbleitende Schicht
    22
    Dritte, leitende Schicht
    23
    Schicht aus leitendem Oxid
    25
    Metallschicht
    27
    Dazwischen liegende Schicht
    29
    Dazwischen liegende Schicht
    31
    Intrinsische Schicht
    33
    Zweite, halbleitende Schicht vom p-Typ
    35
    Zweite, halbleitende Schicht vom n-Typ
    37
    Metallkontakt
    39
    Dielektrische Schicht
    41
    Stark dotierter n+-Typ- Bereich
    43
    Induzierter p-Typ-Bereich

Claims (15)

  1. Solarzelle (1) mit einem Substrat (17) aus einem ersten Halbleitermaterial, wobei die Solarzelle zur Bildung einer Kontaktstruktur (3) angrenzend an eine Oberfläche des Substrates (17) eine Schichtenstapelanordnung aufweist, aufweisend: eine erste Schicht (19) aus einem elektrisch isolierenden Material, eine zweite Schicht (21) aus einem zweiten Halbleitermaterial, eine dritte Schicht (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die erste Schicht (19) zwischen dem Substrat (17) und der zweiten Schicht (21) angeordnet ist, wobei die erste Schicht (19) derart ausgebildet ist, dass ein signifikantes Tunneln von Ladungsträgern zwischen dem Substrat (17) und der zweiten Schicht (21) durch die erste Schicht (19) hindurch ermöglicht ist, und wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial aufgrund verschiedener Bandstrukturen verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial verschiedene Bandlücken aufweisen.
  3. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das erste Halbleitermaterial mit kristallinem Silizium (c-Si) ausgebildet ist und das zweite Halbleitermaterial mit amorphem Silizium (a-Si) ausgebildet ist.
  4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrisch isolierende Material mit Aluminiumoxid ausgebildet ist.
  5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektrisch leitfähige Material mit Metall ausgebildet ist.
  6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektrisch leitfähige Material mit leitfähigem Oxid ausgebildet ist.
  7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial entgegengesetzte Halbleitertypen aufweisen.
  8. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen der ersten Schicht (19) aus elektrisch isolierendem Materialund der zweiten Schicht (21) aus dem zweiten Halbleitermaterial eine weitere Schicht (31) aus intrinsischem Halbleitermaterial ausgebildet ist.
  9. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Substrat an einer Oberfläche p-Typ-artige Bereiche (43) und n-Typ-artige Bereiche (41) ausgebildet sind; wobei zur Bildung einer Kontaktstruktur (3) an zumindest einem der p-Typ-Bereiche (43) und der n-Typ-Bereiche (41) die Schichtenstapelanordnung ausgebildet ist.
  10. Solarzelle nach Anspruch 9, wobei zur Bildung einer Kontaktstruktur (3) sowohl an den p-Typ-artigen Bereichen (43) als auch an den n-Typ-artigen Bereichen (41) eine jeweilige Schichtenstapelanordnung ausgebildet ist, wobei das zweite Halbleitermaterial zur Bildung der Schichtenstapelanordnung, die die p-Typ-artigen Bereiche (43) kontaktiert, und das zweite Halbleitermaterial zur Bildung der Schichtenstapelanordnung, die die n-Typ-artigen Bereiche (41) kontaktiert, verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen.
  11. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an einem Bereich des Substrates (17) zwischen benachbarten durch jeweilige Schichtenstapelanordnungen kontaktierten Bereichen eine dazwischenliegende Schicht (27, 29) vorgesehen ist, die andere elektrische Eigenschaften aufweist als die elektrisch isolierenden ersten Schichten (19) der jeweiligen Schichtenstapelanordnungen.
  12. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kontaktstruktur (3) mit einer Schichtenstapelanordnung zur Bildung eines ersten Grids (7) der Kontaktstruktur (3) zu Bereichen einer ersten Polarität der Solarzelle ausgebildet ist und wobei ferner ein zweites Grid (5') der Kontaktstruktur (3) zu Bereichen der Solarzelle (1) mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität ausgebildet ist, wobei bei dem zweiten Grid (5') eine Schicht (37) aus elektrisch leitfähigem Material das Substrat (17) der Solarzelle (1) direkt kontaktiert.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, aufweisend: Bereitstellen eines Substrates (17) aus einem ersten Halbleitermaterial Ausbilden einer Schichtenstapelanordnung zur Bildung einer Kontaktstruktur (3) angrenzend an eine Oberfläche des Substrates (17), wobei die Schichtenstapelanordnung aufweist: eine erste Schicht (19) aus einem elektrisch isolierenden Material, eine zweite Schicht (21) aus einem zweiten Halbleitermaterial, eine dritte Schicht (22) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die erste Schicht (19) zwischen dem Substrat (17) und der zweiten Schicht (21) angeordnet wird, wobei die erste Schicht (19) derart ausgebildet wird, dass ein signifikantes Tunneln von Ladungsträgern zwischen dem Substrat (17) und der zweiten Schicht (21) durch die erste Schicht (19) hindurch ermöglicht ist, und wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial aufgrund verschiedener Bandstrukturen verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Schicht durch Atomlagendeposition ALD abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die zweite Schicht durch ein PECVD-Verfahren abgeschieden wird.
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