DE102011115340A1

DE102011115340A1 - Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau und hieraus gebildetes Modul

Info

Publication number: DE102011115340A1
Application number: DE102011115340A
Authority: DE
Inventors: Maike Wiesenfarth; Wolfgang Guter; Henning Helmers
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11
Also published as: WO2013050563A3; WO2013050563A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau, bei dem eine Bypass-Diode monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert ist. Ebenso betrifft die Erfindung Module, die aus mehreren dieser Halbleiterbauelemente aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft insbesondere Mehrfachsolarzellen in der Photovoltaik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau, bei dem eine Bypass-Diode monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert ist. Ebenso betrifft die Erfindung Module, die aus mehreren dieser Halbleiterbauelemente aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft insbesondere Mehrfachsolarzellen in der Photovoltaik.
In Mehrfachsolarzellen werden mehrere p-n-Übergänge elektrisch in Serie geschaltet. Die Verschaltung kann dabei monolithisch oder auch mechanisch erfolgen. Die p-n-Übergänge bestehen aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke, meist aus Germanium und/oder sog. III–V-Verbindungshalbleitern, bei denen es sich um Materialkompositionen der Elemente der III. und V. Hauptgruppe, z. B. Galliumarsenid, Galliumindiumarsenid oder Galliumindiumphosphid, bzw. anderen Halbleitern, wie II–VI-Verbindungshalbleitern, handelt. Die Bandlückenenergie der p-n-Übergänge steigt dabei von der untersten zur obersten Solarzelle an.
In einem Solarmodul werden mehrere Mehrfachsolarzellen häufig in Serie verschaltet. Bei der Serienschaltung in einem Modul wird die Stromstärke von der Solarzelle mit der niedrigsten Stromgeneration limitiert, während sich die Spannungen der verschalteten Solarzellen addieren. Falls eine Solarzelle nun weniger als die anderen Solarzellen in der Reihenschaltung, bzw. gar keinen Strom liefert, wird der Stromfluss begrenzt oder vollständig unterbrochen. Um dies zu verhindern, wird im Modul der Stromfluss durch den Einsatz von Bypass-Dioden sichergestellt und die abgeschattete Solarzelle vor Zerstörung geschützt. Eine Bypass-Diode ist eine Diode, die anti-parallel zur Solarzelle geschaltet ist. So wird neben der Solarzelle ein weiterer Strompfad eröffnet. Im Falle einer reduzieren Stromgeneration einer Solarzelle innerhalb eines PV-Moduls, z. B. durch Verschattung oder Defekt, wird diese abgeschattete Solarzelle nicht in Durchbruch belastet und könnte zerstört werden, sondern der Strom fließt über die Bypass-Diode. Im Fall einer Verschattung (oder einem anderen Grund für geringe Stromgeneration in der Solarzelle) steigt der Spannungsabfall an der Bypass-Diode an, bis deren Schwellspannung erreicht wird. Dann fließt der Strom durch die Bypass-Diode. Dabei wird ein geringer Spannungsverlust generiert. Die Leistung der parallel zur Bypass-Diode geschalteten abgeschatteten/defekten Solarzelle fehlt im Gesamtertrag jedoch ist die defekte/abgeschattete Solarzelle geschützt. Im Normalbetrieb (d. h. alle Zellen liefern den ähnlichen Strom) sperrt die Bypass-Diode, um keine Verluste zu erzeugen. Es fließt ein sehr geringer Sperrstrom. In Konzentratormodulen mit hohen Stromdichten und Reihenschaltung wird idealerweise jede einzelne Solarzelle mit einer Bypass-Diode geschützt.
Mehrfachsolarzellen werden zum einen in terrestrischen Anwendungen eingesetzt. Dort wird konzentriertes Licht in Strom umgewandelt. Die Konzentration des Lichts wird durch reflektive oder refraktive Optiken, wie Spiegel oder Linsen, realisiert. Das Licht wird auf die Solarzelle fokussiert. Der Konzentrationsfaktor des Lichts liegt dabei bei niedrig konzentrierenden Systemen bei bis zu 50-facher, bei mittleren Konzentrationen bei 50- bis 200-facher und bei Hochkonzentrationssystemen bei 100- bis mehr als 1500-facher Konzentration. Durch die Konzentration des Lichts kann die Solarzellenfläche um etwa den Konzentrationsfaktor reduziert werden. Durch den Einsatz von kostengünstigen Optiken können dabei Kosten minimiert werden.
Das zweite große Anwendungsgebiet betrifft den Einsatz im Weltraum. Hier werden die Materialien aus Verbindungshalbleitern der 3. und 5. Hauptgruppe auf Grund ihrer hohen Strahlungsstabilität und ihrer geringeren Temperaturabhängigkeit im Vergleich zu Silicium eingesetzt. Durch die hohen Wirkungsgrade der Mehrfachsolarzellen ergibt sich auch ein geringeres Gewicht für die Generation einer vorgegebenen elektrischen Leistung.
Mehrfachsolarzellen bestehen aus mehreren p-n-Übergängen, die üblicherweise in Serie geschaltet werden. Die Schichten der Mehrfachsolarzellen werden meist durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, metal organic vapour phase expitaxy) oder andere epitaktische Verfahren, wie beispielsweise LPE (liquid phase epitaxy) oder MBE molecular beam epitaxy), auf ein Substrat (dotiert oder undotiert) in kristallinen Schichten aufgewachsen. Als Substrat können z. B. Wafer aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer monolithischen Mehrfachsolarzelle wird eine partielle Metallisierung aufgebracht – das Kontaktgitter. Die Unterseite wird in der Regel ganzflächig metallisiert. Diese Metallisierungen dienen als Vorder- und Rückseitenkontaktierung. Mit ihnen werden die einzelnen Mehrfachsolarzellen elektrisch verschaltet. Dazu werden meist metallische Verbinder, wie Drahtbonds oder Metallbändern, verwendet. Durch die Serienschaltung mehrerer Solarzellen addieren sich die einzelnen Zellspannungen zu einer höheren Modulspannung auf. Durch den im Vergleich zur Parallelschaltung niedrigeren Gesamtstrom werden ohmsche Verluste reduziert.
Für die monolithische Serienverschaltung der einzelnen p-n-Übergänge muss ein Stromfluss zwischen dem n-dotierten Halbleitermaterial einer Teilzelle und dem p-dotierten Halbleitermaterial der nächsten Teilzelle ermöglicht werden. Dies wird in den Mehrfachsolarzellen üblicherweise durch Interband-Tunneldioden realisiert. Tunneldioden sind hochdotierte Dioden, die umgekehrt zu den Solarzellen geschaltet sind. Das bedeutet, auf die n-dotierte Schicht der Solarzelle folgt die hochdotierte n-Schicht (üblicherweise geschrieben n⁺ ⁺) der Tunneldiode. Nach der hochdotierten p-Schicht (p⁺ ⁺) der Tunneldiode folgt die p-dotierte Schicht der nächsten Solarzelle. Übliche Dotierungen der Tunneldioden sind im Bereich von 1·10¹⁹ bis über 1·10²⁰ 1/cm³. Die Dotierungen der Solarzellen liegen im Bereich von 1·10¹⁶ und 8·10¹⁶ 1/cm³. Zu den Schichten der Solarzellen und Tunneldioden kommen zusätzliche Schichten, wie Barriereschichten, Fensterschichten und Passivierungsschichten.
Bei den meisten Solarmodulen mit Solarzellen aus III–V-Halbleitermaterialen wird jede einzelne Mehrfachsolarzelle einer Reihenschaltung durch eine Bypass-Diode geschützt. In Konzentratormodulen für terrestrische Anwendungen werden dazu meist separate Schutzdioden fertigungstechnisch mit Metallkontakten miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Solarzelle und die Bypass-Diode auf einem Trägermaterial montiert und dann z. B. über Drahtbondprozesse elektrisch miteinander verbunden werden.
Der Nachteil bei diesen Kontaktierungsverfahren der Bypass-Dioden ist, dass fertigungstechnische Prozessschritte notwendig sind (z. B. Setzverfahren, Verbindungstechnologien, Bondprozesse). Diese sind zeit- und kostenaufwändig.
In Receivern für Spiegelsysteme hat die separate Montage noch einen weiteren Nachteil: In Spiegelsystemen wird die Strahlung durch Parabolspiegel oder paraboloide Spiegel auf einen zentralen Receiver gebündelt. Im Fokus werden Strahlungsdichten von 50 bis > 100 W/m² erreicht, weshalb die Receiver meist aktiv gekühlt werden. Bei großflächigen Parabolspiegeln mit Flächen mit einem oder mehreren m² werden auf der bestrahlten Fläche im Fokus typischerweise mehrere miteinander verschaltete Solarzellen angebracht. Die Solarzellen werden so eng wie möglich nebeneinander platziert und seriell oder parallel verschaltet. Um eine hohe Modulspannung zu erreichen, werden die Zellen vorzugsweise zumindest teilweise in Serie geschaltet. Die Zellen in der Reihe müssen mit Bypass-Dioden geschützt werden. Dabei ist die jeweilige Positionierung von einzelnen Bypass-Dioden sehr schwierig. Wenn die Bypass-Diode direkt neben den zu schützenden Zellen angebracht wird, befindet sich die Bypass-Diode im Bereich der konzentrierten Strahlung. Dann geht aktive Fläche, die ansonsten zur Stromgeneration genutzt werden könnte, verloren. Wenn die Bypass-Dioden jedoch im Randbereich angebracht werden, ist die Kontaktierung mit den einzelnen Solarzellen im Zentrum des Moduls und Fokus schwierig.
Eine andere Technik wird meist in Weltraumphotovoltaikmodulen eingesetzt und integriert die Schichten des p-n-Übergangs der Bypass-Diode direkt auf oder unter der Solarzelle. Das ist entweder über Chipbondtechniken oder Aufwachsen der zusätzlichen epitaktischen Schichten auf oder unter die Solarzellenschichten bzw. das Substrat realisierbar. Dies ist z. B. in US 6,316,716 und US 6,452,086 beschrieben.
Der Nachteil bei der Anwendung, wenn Bypass-Dioden durch zusätzliche Schichten auf das Wafersubstrat gewachsen werden, ist, dass die Fläche der Bypass-Diode die Solarzelle teilweise abschattet und ein Flächenverlust im bestrahlten Bereich entsteht. Auch in der US 6,316,716 , in der zusätzliche Schichten auf das Wafersubstrat gewachsen werden, bedeutet die Fläche der Bypass-Diode einen Verlust von aktiver Fläche.
Bei der Anwendung, dass die Solarzelle auf der Rückseite aufgebracht wird, gibt es den Nachteil des Flächenverlusts nicht. Für Zellen, bei denen Schichten auf ein Substrat gewachsen werden, ist die fertigungstechnische Realisierung technisch schwierig zu lösen.
Es ist denkbar, eine Bypass-Diode auf der Rückseite durch Bondprozesse anzubringen. Dadurch entsteht ein zusätzlicher thermischer Widerstand und die thermische Anbindung an das Substrat verschlechtert sich. Eine sehr gute thermische Anbindung ist wichtig, da über das Substrat fast der gesamte Wärmestrom abgeführt wird, der auf die Solarzelle trifft und nicht reflektiert oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass die elektrische Serienverschaltung der Solarzelle mit der nächsten Solarzelle schwierig zu realisieren ist. Zum Beispiel muss die Unterseite der Bypass-Diode von der Rückseite der Mehrfachsolarzelle elektrisch isoliert werden und mit der Vorderseite der Mehrfachsolarzelle kontaktiert werden. Das bedeutet, dass Bereiche auf der Unterseite elektrisch isoliert werden müssen.
Eine andere Möglichkeit wäre die Anfertigung von Wafern mit zusätzlich p-n-Übergängen auf der Unterseite des Substrats. Auch das ist fertigungstechnisch schwierig zu lösen. Bei einer epitaktischen Aufbringung der Schichten muss der Wafer in zwei Prozessen gewachsen werden (z. B. zuerst die Schichten der Rückseite, dann die Schichten der Vorderseite). Das hat zur Folge, dass Prozessparameter, wie Temperaturen und Drücke, die Qualität der Schichten des ersten Prozesses negativ beeinflussen können, da sie den Prozessparametern des zweiten Prozesses ausgesetzt sind. Durch den zweiten Prozess wird die Herstellung auch teuer und zeitaufwändig.
Für die Integration einer Bypass-Diode in die epitaktischen Schichten einer Mehrfachsolarzelle wird in der DE 10 2004 055 225 die Möglichkeit der monolithisch integrierten serienverschalteten Module mit integrierter Bypass-Diode beschrieben (kurz: MIM). Bei diesen Modulen werden mehrere Solarzellensegmente in Serie geschaltet. Das bedeutet, die Fläche der Mehrfachsolarzelle wird in Segmente unterteilt. Durch physikalische oder photolithographische und chemische Prozessierung werden auf einem Wafer Segmente in Serie geschalten, d. h. monolithisch integriert serienverschaltete Module hergestellt. Der Wafer besteht aus einem semi-isolierenden, also undotierten, Material und ist somit nicht elektrisch leitfähig. Es kann z. B. Galliumarsenid verwendet werden. Auf diesen Wafer werden zusätzliche Schichten epitaktisch gewachsen. Die epitaktischen Schichten sind so angeordnet, dass zwei unterschiedliche Strompfade möglich sind. Dazu werden sog. Querleitschichten eingebaut, über die der Strom geleitet wird. Um höhere elektrische Leitfähigkeiten zu erreichen, sind die Querleitschichten meistens n-dotiert.
Um einen Stromfluss von p auf n zu ermöglichen, wird eine zusätzliche Tunneldiode eingebaut, um die Polarität des Materials zu ändern. Bei funktionierenden Segmenten fließt der Strom durch die p-n-Übergänge der Mehrfachzelle (oder den p-n-Übergang bei Einfachsolarzellen). Bei defekten oder abgeschatteten Segmenten fließt der Strom über den antiparallel, d. h. parallel und rückwärts, geschalteten p-n-Übergang der Bypass-Diode (R. Löckenhoff: "Development, Characterisation and 1000 Suns Outdoor Tests of GaAs Monolithic Interconnected Module (MIM) Receivers" published in Progress in Photovoltaics: research and applications, Res. Appl. 2008; 16; S. 101–102). Der p-n Übergang der Bypass-Diode ist auch epitaktisch in die Struktur eingebaut. Durch dafür erforderliche Verschaltungsgräben entsteht ein zusätzlicher Abschattungsverlust. Es ergibt sich jedoch durch die monolithische Serienverschaltung der entscheidende Vorteil einer hohen Klemmenspannung der Bauteile bei kleinem Verlust von aktiver Zellfläche durch die Abschattung wegen der Verschaltung, als wenn separate Mehrfachsolarzellen nebeneinander montiert werden müssen.
Integrierte Module können nur unter Verwendung von semi-isolierendem Substratmaterial realisiert werden, da die Segmente elektrisch voneinander isoliert werden müssen. Der momentane Stand der Technik für MIMs ist eine Einfach- oder Zweifachsolarzelle. Stand der Technik für Mehrfachzellen ist aber die Dreifachsolarzelle. Die Anwendungen und Entwicklungen gehen sogar mehr in Richtung vier und mehr p-n-Übergänge, da so höhere Wirkungsgrade erreichbar sind. Da Licht mit einer Wellenlänge größer der Bandlücke der untersten Teilsolarzelle transmittiert wird und damit nicht genutzt wird, werden bei Mehrfachsolarzellen mit drei oder mehr p-n-Übergängen für den untersten p-n-Übergang üblicherweise Materialien mit einer niedrigen Bandlückenenergie verwendet. So kann ein größerer Teil des einfallenden Spektrums absorbiert werden. Germanium mit einer Bandlücke von 0.7 eV bietet sich beispielsweise an. Somit wird Licht bis zu einer Wellenlänge von ca. 1800 nm absorbiert. Die Ge-Teilzelle wird in der Regel durch Diffusionsaktivierung eines p-Ge-Substrates mit Gruppe-V-Elementen aus der III–V-Epitaxie erzeugt. Dazu wird über dem Substrat eine Arsenid- bzw. Phosphid-Schicht, z. B. GaAs bzw. GaInP, abgeschieden. Bei den hohen Temperaturen im Reaktor diffundieren Gruppe-V-Atome aus dieser Schicht in das Substrat und überkompensieren die vorhandene p-Dotierung, bis die oberste Schicht des Substrates schließlich n-dotiert ist und ein p-n-Übergang entsteht. Das Substratmaterial ist in diesem Fall nicht elektrisch isolierend, wie es für MIMs nötig ist. Das bedeutet, dass sich auf n- oder p-Germanium-Substraten keine MIMs und somit auch keine Dreifachsolarzellen-MIMs herstellen lassen.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Halbleiterbauelemente bereitzustellen, die einen ausreichenden Schutz der Solarzellen durch Einsatz von Bypass-Dioden gewährleisten und wobei gleichzeitig das Gesamtsystem einfach herzustellen sein soll, es die Möglichkeit der Verschaltung von Solarzellen zu Modulen geben soll und Abschattungsverluste durch die Anordnung von Bypass-Dioden minimiert werden.
Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau bereitgestellt, das die folgenden Komponenten enthält:

– mindestens eine Solarzelle aus einem aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial bestehenden Substrat, das eine Basis-Schicht (die untere Schicht des der Sonne ausgerichteten pn-Übergangs und oberhalb hiervon eine Emitter Schicht (die obere Schicht des der Sonne ausgerichteten pn-Übergangs) aufweist, wobei eine Schicht n-dotiert und die andere Schicht p-dotiert ist,
– mindestens eine Bypass-Diode und
– eine weitere, der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzte Solarzelle mit Emitter-Schicht und Basis-Schicht.

Dabei weist die Bypass-Diode eine p-dotierte Schicht und eine n-dotierte Schicht und ist zwischen den p-n-Übergängen der mindestens zwei Solarzellen epitaktisch integriert und in Parallelschaltung entgegen den mindestens zwei anderen p-n-Übergängen kontaktiert.
Es ist bevorzugt, dass die Energiebandlücke der Solarzellen von der der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzten Solarzelle (oberster pn-Übergang) in Richtung des Substrats abnimmt (unterste Solarzelle).
Es ist weiterhin möglich, dass weitere Solarzellen darüber oder darunter angeordnet werden und mittels Tunneldioden elektrisch in Serie kontaktiert sind.
Vorzugsweise besteht die Bypass-Diode aus einem Material, das eine Energiebandlücke aufweist, die gleich oder größer als die Energiebandlücke des oberhalb der Bypass-Diode abgeschiedenen p-n-Übergangs ist.
Die Basis-Schicht und die Emitter-Schicht der mindestens einen Bypass-Diode weisen vorzugsweise die gleiche Dotierungsabfolge der p-n-Übergänge wie die anderen Solarzellen auf (in Richtung der mit Solarstrahlung bestrahlten Seite zum Substrat).
Vorzugsweise ist oberhalb und/oder unterhalb der Bypass-Diode mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als Querleitschicht angeordnet, die zu mindestens einer benachbarten Schicht elektrischen Kontakt besitzt und über die der Strom lateral geleitet wird. Es ist dabei weiter bevorzugt, dass die mindestens eine Querleitschicht freiliegende Kontaktierungsflächen aufweist, über die eine elektrische Kontaktierung erfolgen kann. Die Querleitschicht weist dabei vorzugsweise einen Schichtwiderstand kleiner als 3 Ω auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Basis (unterste Schicht) des untersten p-n-Übergangs mit dem Emitter des obersten p-n-Übergangs elektrisch kontaktiert ist.
Die zuvor beschriebenen elektrischen Kontaktierungen können mittels Bonddraht und/oder mittels eines Leiterbandes und/oder durch Aufdampfen oder Galvanisieren eines leitfähigen Metalls erfolgen.
Vorzugsweise ist zwischen Querleitschichten und Bypass-Diode oder Solarzelle zur elektrischen Kontaktierung mindestens eine Tunneldiode angeordnet.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Halbleiterbauelement eine vollflächige Rückseitenkantaktierung aufweist. Das bedeutet die Rückseite ist vollseitig metallisiert und der elektrische Strom kann dort mit niedrigen ohmschen Verlusten verteilt und geleitet werden.
Das Substrat besteht vorzugsweise aus dotiertem Verbindungshalbleitermaterial ausgewählt z. B. aus der Gruppe bestehend aus III–V-Verbindungshalbleitern, Germanium, Silicium oder II–VI-Verbindungshalbleitern. Besonders bevorzugt sind hier Germanium, Silicium und Galliumarsenid.
Das Halbleiterbauelement weist vorzugsweise gitterangepasste Teilsolarzellen und/oder gitterfehlangepasste Teilsolarzellen, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Elementen aus der III. und V. oder II. und VI. Hauptgruppe der Elemente, auf.
Vorzugsweise sind die Schichten des Halbleiterbauelementes durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet.
Das Halbleiterbauelement kann weitere Schichten aufweisen, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Barriereschichten, Fensterschichten, Passivierungsschichten und Kombinationen hiervon.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Modul aus mehreren seriell verschalteten Halbleiterbauelementen, wie sie zuvor beschrieben wurden, bereitgestellt.
Vorzugsweise sind in den Modulen die Halbleiterbauelemente über die Kontaktflächen kontaktiert, insbesondere durch Drahtbonds oder Leiterbänder.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Dreifachsolarzelle sowie einer Bypass-Diode nach dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Einzelsegments eines Tandem-MIMs mit zwei Solarzellen sowie parallel geschalteter Bypass-Diode.
3 zeigt ein Schaltbild mit räumlicher Anordnung von zwei in Serie verschalteten Dreifach-Solarzellen gemäß dem Stand der Technik.
4 zeigt ein Schaltbild mit räumlicher Anordnung von zwei in Serie verschalteten Dreifach-Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied zum Stand der Technik ist die Reihenfolge der verschalteten Teilzellen.
5 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Struktur und Verschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
8 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Strukturverschaltung eines weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
10 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
11 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
12 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
13 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter ohne Vorderseitenmetallisierung.
14 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
In 1 ist das Ersatzschaltbild einer Dreifachsolarzelle (Germanium Ge, Galliumarsenid GaAs, Galliumindiumphosphid GaInP) mit anti-parallel geschalteter Bypass-Diode BP dargestellt. J ist die Stromdichte und ist in technischer Stromrichtung eingezeichnet. R_c sind ohmsche Widerstände an den Kontakten und TD die Tunneldioden, um in monolithischen Strukturen einen Elektronenfluss von n auf p zu ermöglichen (die Dotierung des pn Übergangs könnte auch anders herum sein).
In 2 ist das Ersatzschaltbild eines Segments eines MIMs mit parallel geschalteter Bypass-Diode dargestellt. Für die Kontaktierung der n-dotierten Schicht auf die p-dotierte Schicht sind Tunneldioden TD eingebaut. Zusätzlich sind für die monolithische Verschaltung und die Kontaktierung der Bypass-Diode BP Querleitschichten QLS vorgesehen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird dargestellt, wie ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit integriert parallel geschalteter Bypass-Diode realisiert werden kann. Dabei besteht das Substrat der Solarzelle aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial (z. B. dotiertem Germanium oder Silicium, oder dotiertem Galliumarsenid). Die Schichten der Bypass-Diode sind monolithisch in der Schichtabfolge der Solarzelle integriert. Das heißt, sie sind weder auf den Schichten der Solarzellen noch unter dem Substrat gewachsen, sondern dazwischen. Um dies zu erreichen, wird die Reihenfolge der in Serie geschalteten p-n-Übergänge geändert. Die Bypass-Diode ist so integriert, dass durch den zusätzlichen p-n-Übergang keine Abschattung entsteht. Die Strahlung der unterhalb liegenden Solarzelle wird transmittiert, d. h. die Energiebandlücke ist größer oder gleich der Energiebandlücke der GaInAs-Zelle.
In den 3 und 4 ist die Reihenfolge der verschalteten Komponenten von zwei Mehrfachsolarzellen skizziert.
In 3 sind zwei Mehrfachsolarzellen mit jeweils drei Teilzellen in Serie geschaltet und übereinander angeordnet. Jede Mehrfachsolarzelle wird durch eine Bypass-Diode geschützt.
In 4 sind zwei Mehrfachsolarzellen mit jeweils drei Teilzellen nach der hier dargestellten Erfindung in Serie geschaltet und räumlich angeordnet. Jede Mehrfachsolarzelle wird durch eine Bypass-Diode geschützt, die in die Struktur der Mehrfachsolarzelle integriert ist.
Zwischen den p-n-Übergängen zweier Solarzellen werden die epitaktischen Schichten der Bypass-Diode monolithisch gewachsen, z. B. mit einem MOVPE-Prozess. Dafür werden Materialien gewählt, die den Absorptionswellenlängenbereich der darunter liegenden Solarzelle transmittieren. Die Bandlückenenergie des p-n-Übergangs der Bypass-Diode muss daher größer oder gleich sein, als die des p-n-Übergangs der darüber liegenden Solarzellen. Entsprechend des Anstiegs der Wellenlänge λ der Strahlung, nimmt die Energie E der Strahlung proportional zu 1/λ ab. So werden Photonen mit geringen Wellenlängen (und damit hoher Energie) bereits in den oberen Schichten absorbiert, die langwelligeren Photonen kleinerer Energie werden jedoch transmittiert und von der untersten Solarzelle zur Stromgeneration genutzt.
Der p-n-Übergang der Bypass-Diode ist analog zu dem der Solarzellen gepolt. Wenn die Basis der Solarzellen p-dotiert und die Emitter n-dotiert sind, ist die untere Schicht der Diode ebenfalls p-dotiert, die obere Schicht n-dotiert (und umgekehrt).
In 5 wurde der Einfachheit halber eine Mehrfachsolarzelle mit 3 Teilzellen 1, 2, 3 auf p-dotiertem Substrat und integrierter Bypass-Diode 6 gewählt. Es ist jedoch möglich, zusätzliche p-n-Übergänge über oder unterhalb der Bypass-Diode einzubauen. Die Größenverhältnisse in den Zeichnungen sind nicht maßstäblich dargestellt. Die Flächen von Metallisierung 10 und Kontaktierung 8 werden in der Realität minimiert, um Verluste durch Abschattung zu minimieren. 5 veranschaulicht die Position der Kontaktierungsflächen. Benachbarte Mehrfachsolarzellen werden über metallische Verbinder 7a kontaktiert. Dazu sind auf den Querleitschichten 5a, 5b Flächen mit Metallisierung 8a, 8b aufgebracht. Diese Verbindung wird als „bond” bezeichnet. Die Basis der untersten Solarzelle 3 wird über die Rückseitenmetallisierung 11 auf die Vorderseitenmetallisierung 10 zum Emitter der obersten Solarzelle 1 kontaktiert.
In 5 sind folgende Komponenten enthalten:

1. oberste Solarzelle, Solarzelle 1 mit p-n-Übergang (Emitter und Basis hier ein n-Emitter mit p-Basis, ist aber auch anders herum möglich),
2. mittlere Solarzelle(n), Solarzelle 2 mit mindestens einem p-n-Übergang (Emitter und Basis),
3. unterste Solarzelle(n), Solarzelle 3 und Substrat mit mindestens einem p-n-Übergang,
4. a) Tunneldiode zwischen der obersten und mittleren Solarzelle, b) Tunneldiode zwischen der mittleren Solarzelle und der ersten Querleitschicht, c) Tunneldiode zwischen der Bypass-Diode und der zweiten Querleitschicht,
5. a) erste Querleitschicht QLS1, b) zweite Querleitschicht QLS2,
6. Bypass-Diode mit Emitter und Basis,
7. a) elektrischer Kontakt zwischen zwei benachbarten Mehrfachsolarzellen (bond), b) elektrischer Kontakt zwischen oberstem und unterstem p-n-Übergang (bond),
8. Kontaktmetallisierung (Metall-Halbleiter-Kontakt) auf der ersten Querleitschicht 8a und auf der zweiten Querleitschicht 8b,
9. elektrische Isolierschicht,
10. Vorderseiten-Kontaktmetallisierung für Stromtransport,
11. Rückseitenmetallisierung für die Stromverteilung.

Die oberste Solarzelle und die mittleren (eine oder mehrere) Solarzellen sind durch Tunneldioden in Serie geschaltet.
Die vorgestellte Verschaltungsart verbindet die Basis der untersten Teilzelle mit dem Emitter der obersten Teilzelle über den Kontakt 7b. Der Emitter der unteren Teilzelle ist mit der Basis der mittleren Teilzellen über den Kontakt 7a verbunden. Obwohl die Bandlücke des Zellstapels von oben nach unten abnimmt, ist die unterste Teilzelle mit der obersten Teilzelle somit direkt in Serie verschalten.
Für die metallische Kontaktierung auf der Basis der mittleren Teilzelle und dem Emitter der untersten Zellen werden zusätzliche Querleitschichten implementiert, die analog zu den Schichten der Bypass-Diode für in der untersten Zelle nutzbare Photonen transparent sind. Diese werden zum einen zwischen der untersten Solarzelle und Bypass-Diode, zum anderen zwischen Bypass-Diode und der mittleren Solarzelle eingefügt. In diesen Querleitschichten wird der Strom lateral zu den Metallkontakten transportiert. Um größtmögliche elektrische Leitfähigkeit für geringe Leistungsverluste zu erreichen, ist eine möglichst hohe Dotierung erforderlich. Dabei ist z. B. bei Galliumarsenid eine Dotierung von 1·10¹⁷ bis 1·10¹⁹ 1/cm³ realisierbar
Die Rückseite der Solarzelle ist vollflächig metallisiert. So wird der Strom möglichst verlustfrei zu dem Kontakt der Basis der untersten Solarzelle 3 mit dem Emitter der obersten Solarzelle 1 transportiert.
Die Bypass-Diode 6 ist im Normalbetrieb für einen Stromfluss gesperrt. Die Tunneldiode 5b dient nur zum Ändern der Polarität und leitet den Strom in beide Richtungen mit einem geringen Spannungsabfall. Im Fall einer Verschattung (oder einem anderen Grund für geringe Stromgeneration in der Solarzelle) steigt der Spannungsabfall an der Bypass-Diode an, bis deren Schwellspannung erreicht wird. Dann fließt der Strom nicht mehr durch die Solarzelle, sondern direkt zwischen den beiden Querleitschichten durch die Bypass-Diode. So ist die verschattete/defekte Zelle durch die Bypass-Diode vor Beschädigung geschützt.
Die Reihenfolge (z. B. unten p-dotiert, darüber n-dotiert), wie der p-n-Übergang der Bypass-Diode gewachsen ist, ist gleich wie die Reihenfolge der Solarzellen. Trotzdem wird die Bypass-Diode durch die Kontaktierung elektrisch auf den Querleitschichten parallel zu den Solarzellen geschaltet und ist entgegen der Dotierung der Solarzellen dotiert.
Zur Verdeutlichung ist in 6 das elektrische Ersatzschaltbild der hier vorgeschlagenen monolithischen Struktur und Kontaktierung dargestellt – beispielhaft für eine Dreifachsolarzelle mit p-dotiertem Germaniumsubstrat. Der Kontakt (R_{C bond}) von der Nachbarzelle oder dem elektrischen Anschluss wird nicht wie herkömmliche Kontaktierungen mit der Rückseitenmetallisierung (p-Kontakt) der Germaniumzelle (Solarzelle 3) kontaktiert. Stattdessen wird er zwischen der Basis der Solarzelle 2 (hier p-dotiert) und dem Emitter der Zelle 3 (hier n-dotiert) kontaktiert.
Der p-Kontakt der Germaniumzelle (Solarzelle 3) ist über einen metallischen Kontakt (R_{C bond}) mit der obersten Zelle 1 in Serie geschaltet. Der p-Kontakt der obersten Solarzelle 1 (aus Galliumindiumphosphid GaInP) ist über eine Tunneldiode mit dem n-Kontakt der mittleren Solarzelle 2 (z. B. aus Galliumarsenid GaAs) in Serie geschaltet. Der Kontakt zur nächsten Mehrfachsolarzelle wird über den p-Kontakt der Solarzelle 2 hergestellt.
Die Bypass-Diode BP ist parallel geschaltet und umgekehrt zu den Solarzellen dotiert. Für die Kontaktierung der Solarzellen und der Bypass-Diode sind die Querleitschichten QLS2 und QLS1 eingebaut. Um einen Kontakt der n-dotierten Querleitschicht QLS1 mit dem p-Kontakt der mittleren Zelle (Solarzelle 2) herzustellen, wird eine Tunneldiode eingebaut. Zur Kontaktierung des p-Kontaktes der Bypass-Diode mit der n-dotierten zweiten Querleitschicht QLS2 ist ebenfalls eine Tunneldiode vorgesehen.
7 zeigt zur Verdeutlichung nochmals das Ersatzschaltbild der Erfindung. Die Komponenten sind in der Reihenfolge gezeichnet, wie sie gewachsen sind.
Im Vergleich zu 1 und 6 wird deutlich, dass die Reihenfolge der Serienverschaltung der Solarzelle geändert ist, obwohl in der epitaktischen Struktur der Mehrfachsolarzelle der Erfindung nach wie vor Solarzelle 3 auf Solarzelle 2 und dann Solarzelle 1 gewachsen werden. Die Verschaltung wird durch Prozessierung des Wafers nach dem Wachstum der monolithischen Schichten realisiert. Die Bypass-Diode wird über die Solarzelle 3 gewachsen. Sie schützt jedoch die gesamte Mehrfachsolarzelle, d. h. die Gesamtheit der serienverschalteten Teilzellen.
In 8 wird ein zweites Konzept zur Realisierung einer monolithischen Kontaktierung von der Basis der Solarzelle 3 mit dem Emitter der Solarzelle 1 präsentiert. Der Vorteil ist, dass die Kontaktierung durch Prozessierung des Wafers geschieht und nicht erst nach dem Sägen des Wafers. Dazu wird auf dem Wafer in das Substrat (Solarzelle 3) auf die Basis geätzt, um eine Kontaktierung der Basis von Solarzelle 3 zu ermöglichen. Die seitlichen, dadurch offen liegenden Flächen der p-n-Übergänge der restlichen Solarzellen werden über eine Isolierschicht elektrisch isoliert. Dazu kann z. B. ein geeignetes Polyimid, Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (SiN) oder Siliciumdioxid (SiO₂) verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform (9 bis 13) werden die Kontakte 8a und 8b über ein Kontaktgitter in die Wachstumsebene hineingeführt. Bei Mehrfachsolarzellen müssen unter konzentriertem Licht Ströme von bis zu 0,5 bis 8 A über die Querleitschicht bis zu den seitlichen Kontakten geleitet werden. Bei den Weltraumsolarzellen (unter dem Norm-Spektrum AM0 sind es etwa 0,1 bis 0,15 A. Der Strom muss über die Querleitschichten fließen und durch den Flächenwiderstand der Querleitschicht entstehen ohmsche Verluste. Durch ein zusätzliches Kontaktgitter werden die Widerstandsverluste in den Querleitschichten reduziert, da der Strom einen kürzeren Weg zurücklegen kann. Die Kontaktgitter werden auf den Querleitschichten aufgebracht. Dazu müssen gitterstrukturierte Flächen auf den Querleitschichten (z. B. durch Ätzprozesse) freigelegt werden. Die Kontaktfinger bestehen aus Metall und haben daher eine bessere elektrische Leitfähigkeit.
Das Prinzip ist in den 9 bis 13 in unterschiedlichen Ansichten dargestellt.
Dabei ist in 9 die Draufsicht auf die Solarzelle zu sehen. Dabei sind die Finger der Kontakte auf den Querleitschichten 8a und 8b und die Vorderseitenmetallisierung 10 zu sehen.
In 10 sind die Schichten der Solarzelle und der Kontakt auf der zweiten Querleitschicht 8b dargestellt.
In 11 ist die Ansicht auf den Kontakt der ersten Querleitschicht 8a gerichtet.
In 12 ist eine Kontaktierungsform wie in 8 dargestellt, jedoch ist hier die Kontaktierung des Emitters der Solarzelle 1 nicht am Rand, sondern in der Mitte der Solarzelle auf der Basis von Solarzelle 3 geführt. Auch so wird die Länge, über die der Strom fließen muss, kürzer.
In 12 ist in einer Schnittansicht gezeigt, wie die Basis der untersten Solarzelle 3 mit dem Emitter der obersten Solarzelle 1 kontaktiert wird. Dabei wird von oben durch die gesamte Schichtabfolge auf die Basis der untersten Solarzelle (bzw. das Substrat) geätzt. Die Ätzflanken werden elektrisch isoliert 9 (z. B. mit Polyimid oder Siliziumnitrid). Anschließend wird eine Metallverbindung zwischen Vorderseitenmetallisierung und Basis der untersten Solarzelle hergestellt.
In 13a) und 13b) ist dazu die Draufsicht und seitliche Ansicht der Solarzelle dargestellt, bevor die Vorderseitenmetallisierung sowie die elektrische Verbindung zwischen unterster und oberster Solarzelle aufgebracht wurden.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit ist, die Metallisierungen der Querleitschichten von unten aufzubringen, wie in den 14a) und 14b) dargestellt.
Gräben können auch von der Rückseite geätzt werden, dadurch ist der Verlust an aktiver Fläche in den oberen Zellen reduziert. Prozesstechnisch ist dies für Zellen mit Wafersubstrat (z. B. Germanium) allerdings schwieriger zu realisieren, da dazu das gesamte Substrat (Schichtdicke 130 bis 500 μm) geätzt werden muss. Dagegen sind die oberen Schichtdicken nur 5 bis 20 μm dick. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für ultradünne Solarzellen, die nur aus den Schichten des pn-Übergangs ohne stabilisierendes Substrat bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6316716 [0011, 0012]
US 6452086 [0011]
DE 102004055225 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Löckenhoff: ”Development, Characterisation and 1000 Suns Outdoor Tests of GaAs Monolithic Interconnected Module (MIM) Receivers” published in Progress in Photovoltaics: research and applications, Res. Appl. 2008; 16; S. 101–102 [0017]

Claims

Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau enthaltend – mindestens eine Solarzelle aus einem aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial bestehenden Substrat (3), das eine Basis-Schicht und oberhalb hiervon eine Emitter-Schicht aufweist, wobei eine Schicht n-dotiert und die andere Schicht p-dotiert ist, – mindestens eine Bypass-Diode (6) und – eine weitere, der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzte Solarzelle (1) mit Emitter-Schicht und Basis-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode (6) eine p-dotierte Schicht und eine n-dotierte Schicht aufweist und zwischen den p-n-Übergängen der mindestens zwei Solarzellen epitaktisch integriert und in Parallelschaltung entgegen den mindestens zwei anderen p-n-Übergängen kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebandlücke der Solarzellen von der der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzten Solarzelle in Richtung des Substrats (3) abnimmt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander angeordnete Solarzellen mittels Tunneldioden (4a, 4b, 4c) elektrisch in Serie kontaktiert sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode aus einem Material besteht, das eine Energiebandlücke aufweist, die gleich oder größer als die Energiebandlücke des oberhalb der Bypass-Diode abgeschiedenen p-n-Übergangs ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Schicht und die Emitter-Schicht der mindestens einen Bypass-Diode die gleiche Dotierungsabfolge der p-n-Übergänge wie die anderen Solarzellen aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder unterhalb der Bypass-Diode mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als Querleitschicht angeordnet ist, die zu mindestens einer benachbarten Schicht elektrischen Kontakt besitzt und über die der Strom lateral geleitet wird.
Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Querleitschicht freiliegende Kontaktierungsflächen aufweist, über die eine elektrische Kontaktierung erfolgen kann.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwiderstand der Querleitschicht im Bereich von 0,1 bis 3 Ω beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des untersten p-n Übergangs mit dem Emitter des obersten p-n Übergangs elektrisch kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktierungen mittels Banddraht und/oder mittels eines Leiterbandes und/oder durch Aufdampfen oder Galvanisieren eines leitfähigen Metalls erfolgt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Querleitschichten und Bypass-Diode oder Solarzelle zur elektrischen Kontaktierung mindestens eine Tunneldiode angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine vollflächige Rückseitenkontaktierung aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Germanium, Silicium, Galliumarsenid besteht.
Halbleiterbauelement (eine Mehrfachsolarzelle) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement gitterangepasste Teilsolarzellen und/oder gitterfehlangepasste Teilsolarzellen, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Elementen aus der III. und V. Hauptgruppe oder II. und VI. Hauptgruppe der Elemente, aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement weitere Schichten, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Barriereschichten, Fensterschichten, Passivierungsschichten und Kombinationen hiervon, aufweist.
Modul aus mehreren seriell verschalteten Halbleiterbauelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbauelemente über die Kontaktflächen kontaktiert sind, insbesondere durch Drahtbonds oder Leiterbänder.