DE102015113556A1

DE102015113556A1 - Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102015113556A1
Application number: DE102015113556.6A
Authority: DE
Inventors: Verena Mertens; Peter Engelhart
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Eine Solarzelle umfasst einen ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) und einen zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120), die an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle ausgebildet sind. Außerdem umfasst die Solarzelle eine erste Halbleiterschicht (210), die durch den ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) elektrisch kontaktierbar ist und eine erste Dotierung (211) aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht (220), die durch den zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120) elektrisch kontaktierbar ist und eine zweite Dotierung (221) aufweist. Die erste Dotierung (211) und die zweite Dotierung (221) sind komplementär zueinander und weisen jeweils einen Wert von zumindest 1·1018 cm–3 auf, um einen pn-Übergang (215) hoher Dotierung zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und insbesondere auf eine Solarzelle mit einem vergrabenen, ganzflächig ausgebildeten pn-Übergang mit einer geringen Durchbruchsspannung.
Hintergrund
Üblicherweise werden Solarzellen in einem Modul zu sogenannten „Strings“ in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung bietet den Vorteil, dass in dieser Weise die elektrischen Spannungen sich an den einzelnen Solarzellen des Strings addieren und der Strom durch alle Zellen gleich ist, d.h. der Gesamtstrom entspricht dem Strom, der durch die einzelnen Solarzellen fließt und ist somit begrenzt. Da Widerstandsverluste mit der Stromstärke steigen, wird durch die Reihenschaltung der Solarzellen zu Strings die Verlustleistung minimiert.
Ist in einem solchen String jedoch eine der Solarzellen abgeschattet (oder defekt), so wird nicht nur in dieser abgeschatteten oder defekten Zelle kein Beitrag zur Erzeugung der elektrischen Energie geleistet, sondern gleichzeitig blockiert diese Zelle den Stromfluss durch den gesamten String. Wenn außerdem die Summe der Spannungen der nicht abgeschatteten Zellen im String hoch genug ist, wird ein Strom durch die abgeschattete Zelle, die in diesem Fall als eine Diode in Sperrrichtung wirkt, getrieben. Hierbei wird häufig eine erhebliche elektrische Leistung in der abgeschatteten Zelle umgesetzt, was zu einer starken lokalen Erwärmung und letztlich zu einer Beschädigung des Moduls führen kann.
Aus diesem Grund werden in konventionellen Modulen sogenannte Bypass-Dioden eingesetzt, die einen String überbrücken können, so dass bei Abschattungen oder anderen Defekten einzelner Zellen die in dem nicht abgeschatteten Teil des Strings erzeugte elektrische Energie durch die Bypass-Diode fließen kann. Typischerweise wird dafür eine separate pn-Diode parallel zu dem String ausgebildet, wobei die Bypass-Diode die oben genannte Beschädigung des Moduls durch lokale Überhitzung verhindert und ermöglicht, dass ein Teil der nicht abgeschatteten Zellen im Modul weiterhin zur elektrischen Ausgangsleistung des Moduls beitragen können. Da die im Teilabschattungsfall durchgeschaltete Bypass-Diode den gesamten String überbrückt, tragen jedoch die nicht abgeschatteten Solarzellen nicht mehr zur Leistung des Moduls bei. Wenn andererseits jede einzelne Zelle eine eigene Bypass-Diode bekommen würde, wäre dies mit erheblichen Mehrkosten verbunden und daher nicht vertretbar.
Außerdem müssen die Zellen in der konventionellen Ausgestaltung eine hohe Rückwärtsdurchbruchfestigkeit (beispielsweise mehr als 10 V) bzw. einen geringen Rückwärtsstrom aufweisen, da sonst eine zu hohe Leistung im abgeschatteten Fall dissipieren würde.
Ein solches konventionelles Modul für rückseitenkontaktierte Solarzellen ist in DE 10 2008 047 162 A1 offenbart, wobei integrierte Bypass-Dioden zwischen den beiden Kontakten auf der Zellrückseite angeordnet sind, und zwar antiparallel zur eigentlichen Solarzellendiode. Diese antiparallel geschalteten Dioden sind lokal und kleinflächig ausgebildet, da sie einen Leistungsverlust für die Solarzelle darstellen.
Eine weitere Form von konventionellen Solarzellen ist in dem Dokument R. Müller et al. „Analysis of n-Type IBC Solar Cells with Diffused Boron Emitter Locally-Blocked by Implanted Phosphorus" offenbart. Hier sind hochdotierte Gebiete entgegengesetzter Dotierung bei rückseitenkontaktierten Solarzellen angrenzend an den jeweiligen pn-Übergängen (in lateraler Richtung) im Bereich der Oberfläche der Zellrückseite ausgebildet (mäanderförmig). Durch die hohen Dotierungen sind die Raumladungszonen sehr schmal und weisen ein sehr starkes elektrisches Feld auf, so dass im Abschattungsfall (d.h. in einer rückwärts gerichteten Polung) das elektrische Feld verstärkt wird und zusammenbricht. Damit die zu dissipierende Leistung ausreichend gering ist (um eine Überhitzung zu vermeiden) wird die Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtung ausreichend gering gehalten (beispielsweise bei 1 bis 2 V).
Bei weiteren konventionellen Solarzellen wird die antiparallel geschaltete Diode ebenfalls für beidseitig kontaktierte Solarzellen genutzt, wobei die integrierte Bypass-Diode lokal neben dem Solarzellen-pn-Übergang angeordnet sind (siehe S. R. Wenham et al. „Screen-Printed Processing of Solar Cells incorporating Integral Bypass Diodes"). Da die lokal ausgebildete Bypass-Diode nur eine begrenzte effektive Fläche aufweist, kommt es hier wiederum zu einer lokal deutlich erhöhten Temperatur.
Somit weisen alle konventionellen Lösungen Nachteile auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen, die einen überproportionalen Leistungsverlust bei Teilabschattungen im Modul vermeidet, die kostengünstig zu realisieren ist, deren Komplexität in der Ausgestaltung für ein Modul gering gehalten wird und die zu keinem zusätzlichen Leistungsverlust führt.
Zusammenfassung
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Solarzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 und ein Verfahren zur Herstellung derselben nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einem ersten elektrischen Kontaktanschluss und einem zweiten elektrischen Kontaktanschluss, die an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle ausgebildet sind. Die Solarzelle umfasst weiter eine ersten Halbleiterschicht, die durch den ersten elektrischen Kontaktanschluss elektrisch kontaktierbar ist und eine erste Dotierung aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht, die durch den zweiten elektrischen Kontaktanschluss elektrisch kontaktierbar ist und eine zweite Dotierung aufweist. Die erste Dotierung und die zweite Dotierung sind komplementär zueinander und weisen jeweils einen Wert von zumindest 1·10¹⁸ cm^–3 auf, um einen pn-Übergang hoher Dotierung zu bilden.
Die Dotierungen der ersten und zweiten Halbleiterschicht können, brauchen aber nicht gleich sein. Ebenso können die Schichtdicken der ersten und zweiten Halbleiterschichten verschieden sein oder auch gleich sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf eine Solarzelle, bei der die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht nicht notwendigerweise den vorgenannten Wert für die Dotierung aufweisen. Vielmehr weist die erste Halbleiterschicht ein erstes Dotierprofil auf und die zweite Halbleiterschicht ein zweites Dotierprofil, wobei das erste und zweite Dotierprofil komplementär zueinander ist und Dotierungen (d. h. Dotierkonzentration) des ersten Dotierprofils und/oder des zweiten Dotierprofils in Richtung zu dem pn-Übergang zumindest ein einem Bereich zunehmen/zunimmt.
Die Dotierprofile der ersten Halbleiterschicht und/oder der zweiten Halbleiterschicht sind daher nicht konstant, sodass ein lokales Maximum der Dotierung in Richtung zu dem oder in der Nähe vom pn-Übergang ausgebildet ist. Die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht können ebenfalls aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei jede davon eine andere Dotierung (Dotierkonzentration) aufweist. Solange sich diese Schichten lediglich hinsichtlich der Dotierkonzentration unterschieden, sind beide Beschreibungen (eine Schicht mit variablen Dotierprofil oder mehre Schichten mit verschiedenen Dotierkonzentrationen) äquivalent.
Die vorliegende Erfindung löst somit die oben genannte technische Aufgabe durch eine Solarzelle, die beidseitig kontaktiert wird und einen hochdotierten pn-Übergang aufweist, der als eine integrierte Bypass-Diode wirkt. Durch die angrenzenden, hochdotierten p- und n-Bereiche ergibt sich eine sehr schmale Raumladungszone (RLZ). Je größer dabei die Dotierung im hochdotierten Bereich ist, desto geringer ist die Durchbruchsspannung und desto geringer ist die Leistung, welche im Durchbruchsfall umgesetzt wird.
Die Bypass-Diode stellt daher kein zusätzliches Bauelement dar, das separat ausgebildet werden muss. Vielmehr ist das Dotierprofil des Halbleitermaterials der Solarzelle derart gewählt, dass ein hochdotierter pn-Übergang in die Solarzelle vorhanden ist, der wie gesagt als eine Bypass-Diode wirkt. Eine elektrische Spannung, die im Abschattungsfall über die abgeschattete Zelle aufgebaut wird, kann an der Raumladungszone der nun in Rückwärtsrichtung betriebenen abgeschatteten Zelle abfallen. Durch die geringe Ausdehnung der RLZ entsteht ein starkes elektrisches Feld, welches zum Durchbruch der Diode in der abgeschatteten Zelle führt, sodass der Licht-generierte Strom der nicht-abgeschatteten Zellen durch die abgeschattete Zelle „gedrückt“ wird. Als Resultat trägt lediglich die abgeschattete durchgebrochene Zelle nicht mehr zur Leistungssteigerung des Moduls bei und ist effektiv überbrückt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der pn-Übergang mit hoher oder erhöhter Dotierung ganzflächig ausgebildet oder nimmt zumindest 80% (oder 50% oder 70% oder 90% oder 95%) einer Querschnittsfläche eines Strompfads in der Solarzelle ein.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist der pn-Übergang von den gegenüberliegenden Seiten einen Mindestabstand auf, wobei der Mindestabstand größer ist als 1 µm oder größer ist als 5 µm (oder > 2 µm oder > 3 µm oder > 7 µm).
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht entlang des pn-Überganges eine Mindestdotierung auf, wobei die Mindestdotierung durch einen aus den folgenden Werten gegeben ist: 1·10¹⁸ cm^–3, 5·10¹⁸ cm^–3, 8·10¹⁸ cm^–3, 1·10¹⁹ cm^–3, 5·10¹⁹ cm^–3.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen erstreckt sich ein Bereich erhöhter Dotierung ausgehend von dem pn-Übergang bis zu einem Abstand, der kleiner ist als 1 µm oder kleiner ist als 0,5 µm oder kleiner ist als 0,2 µm (oder < 2 µm oder < 0,8 µm oder < 0,1 µm).
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht eine hohe oder erhöhte Dotierung nur in einem Bereich einer Raumladungszone des pn-Übergangs auf, d.h. die Breite der erhöhten Dotierung ist so gewählt, dass sie im Wesentlichen die Raumladungszone erfasst (wobei eine Abweichung von beispielsweise ±50% oder ±20% akzeptable ist)
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die ersten Halbleiterschicht und/oder die zweiten Halbleiterschicht ein Dotierprofil auf, welches ebenfalls in Richtung zu dem ersten elektrischen Kontaktanschluss und/oder zu dem zweiten elektrischen Kontaktanschlusses ansteigt. Beispielsweise kann das Dotierprofil entlang des Strompfades ein Minimum in der Dotierkonzentration aufweisen, wobei das Minimum in einem vorbestimmten Abstand von dem pn-Übergang und von dem entsprechenden Kontaktanschluss liegt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht eine Epitaxie-Schicht, die mittels eines epitaktischen Aufwachsens von dotiertem Silizium gebildet ist/sind. Das epitaktische Aufwachsen bietet den Vorteil, dass damit leicht verschiedene Dotierprofile leicht umgesetzt werden können, ohne dass dies zu einem erheblichen Mehraufwand führt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Modul mit mehreren seriell verschalteten Solarzellen, wobei jede der seriell verschalteten Solarzellen eine Solarzelle ist, wie sie zuvor beschrieben wurde. Somit werden bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht mehrere Solarzellen durch eine (externe) Bypass-Diode überbrückt, sondern jede einzelne Solarzelle besitzt ihren eigenen Schutz, ohne dass dafür zusätzlicher Aufwand betrieben werden muss.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ausbilden einer ersten Halbleiterschicht mit einem ersten Dotierprofil; Ausbilden einer zweiten Halbleiterschicht mit einem zweiten Dotierprofil; und Ausbilden eines ersten elektrischen Kontaktanschlusses an der ersten Halbleiterschicht und eines zweiten elektrischen Kontaktanschlusses an der zweiten Halbleiterschicht, und zwar an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle. Die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht werden in dem Verfahren komplementär zueinander dotiert und bilden einen pn-Übergang, wobei das erste Dotierprofil in Richtung zum pn-Übergang ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist, und wobei das zweite Dotierprofil in Richtung zum pn-Übergang ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist.
Da bei konventionellen rückkontaktierten Solarzellen der Durchbruch in einem lokal sehr begrenzten Bereich der beiden hochdotierten Bereiche (d.h. entlang der Mäander) oberflächennah erfolgt, ist die effektive Fläche, die durchbricht und über die die Energie dissipiert, sehr limitiert. Dadurch steigt das zuvor genannte Risiko für lokale Überhitzungen und Beschädigungen im Modul. Im Gegensatz hierzu erfolgt bei der vorliegenden Erfindung eine großflächige Ausbildung des hochdotierten pn-Bereiches, wobei die Fläche, die durchbricht, maximiert werden kann und z.B. ganzflächig ausgebildet wird.
Somit bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile:

– Ein überproportionaler (lokaler) Leistungsverlust bei Teilabschattung im Modul wird vermieden.
– Die Kosten für separate Bypass-Dioden werden gespart.
– Die Komplexität in der Ausgestaltung wird aufgrund der Vermeidung von zusätzlichen Bypass-Dioden verringert.
– Ein Leistungsverlust durch Bypass-Dioden (der typischerweise in einem Bereich von 1 Watt/Modul liegt) wird vermieden.

Kurzbeschreibung der Figuren
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
1 zeigt eine Solarzelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt Dotierprofile der Solarzelle aus der 1.
3 zeigt eine Solarzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
4 zeigt Dotierprofile für die Halbleiterschichten der Solarzelle aus 3.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Solarzelle.
6 zeigt Dotierprofile der Solarzelle der 5.
7 veranschaulicht Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
8A, B zeigen Dotierdichten und Energiebänder für eine Solarzelle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Solarzelle mit zwei erste elektrische Kontaktanschlüsse 110a, 110b und zwei zweite elektrische Kontaktanschlüsse 120a, 120b, die an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle ausgebildet sind. Die Solarzelle umfasst weiter eine ersten Halbleiterschicht 210, die durch die ersten elektrischen Kontaktanschlüsse 110a, 110b, elektrisch kontaktiert ist (direkt oder indirekt) und eine erste Dotierung (z.B. n⁺⁺) aufweist, und eine zweiten Halbleiterschicht 220, die durch den zweiten elektrischen Kontaktanschluss 120 elektrisch kontaktiert wird (direkt oder indirekt) und eine zweite Dotierung aufweist (z.B p⁺⁺). Die erste Dotierung und zweite Dotierung sind komplementär zueinander und weisen jeweils einen Wert von beispielweise 1·10¹⁸ cm^–3 (oder mehr) auf und grenzen aneinander, um einen pn-Übergang 215 hoher Dotierung zu bilden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beispielhaften zwei ersten Kontaktanschlüsse 110a, 110b, in einem Abstand voneinander auf einer Seite der Solarzelle ausgebildet. Ebenso sind die beispielhaften zwei zweiten Kontaktanschlüsse 120a, 120b, in einem Abstand voneinander auf einer gegenüberliegenden Seite der Solarzelle ausgebildet. Die ersten elektrischen Kontaktanschlüsse 110a, 110b können elektrisch miteinander verbunden sein. Ebenso können die zweiten elektrischen Kontaktanschlüsse 120a, 120b miteinander verbunden sein.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Abschnitt zwischen den ersten elektrischen Kontaktanschlüssen 110a, 110b und dem pn-Übergang 215 durch die erste dotierte Halbleiterschicht 210 gebildet. Ebenso ist der gesamte Bereich zwischen dem pn-Übergang 215 und den zweiten elektrischen Kontaktanschlüssen 120a, 120b durch die zweite dotierte Hableiterschicht 220 gebildet.
2 zeigt entlang einer Querschnittslinie A-A‘ aus der 1 die erste Dotierkonzentration (Dotierprofil) 211 der ersten Halbleiterschicht 210 und die zweite Dotierkonzentration (Dotierprofil) 221 der zweiten Halbleiterschicht 220. Die Entfernung von jener Seite, wo die ersten elektrischen Kontaktanschlüsse 110a, 110b ausgebildet sind, wird mit dem Parameter x gemessen. Die erste Halbleiterschicht 210 ist beispielsweise ein n-dotiertes Halbleitermaterial hoher, konstanter Dotierung (d.h. n⁺⁺ dotiert), dessen Konzentration ab dem pn-Übergang, d.h. für alle x > x1, Null (oder nahezu Null) ist. Die zweite Halbleiterschicht 220 ist beispielsweise ein p-dotiertes Halbleitermaterial hoher, konstanter Dotierung (d.h. p⁺⁺ dotiert), dessen Konzentration für alle x < x1 Null (oder nahezu Null) ist.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Solarzelle, bei welcher ein Bereich hoher Dotierung 300 lediglich entlang des pn-Übergangs 215 ausgebildet ist. Daher ist bei der Solarzelle der 3 zwischen der ersten Halbleiterschicht 210 und den ersten elektrischen Kontaktanschlüssen 110a, 110b eine weitere erste dotierte Hableiterschicht 205 ausgebildet, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist wie die erste Halbleiterschicht 210. Ebenso ist zwischen der zweiten Halbleiterschicht 220 und den zweiten elektrischen Kontaktanschlüssen 120a, 120b eine weitere zweite dotierte Hableiterschicht 225 ausgebildet, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist wie die zweite Hableiterschicht 220. Die Dotierung der weiteren ersten Halbleiterschicht 205 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel geringer als die Dotierkonzentration der ersten Halbleiterschicht 210. Ebenso ist die Dotierkonzentration der weiteren zweiten Halbleiterschicht 225 geringer als die Dotierkonzentration der zweiten dotierten Halbleiterschicht 220.
Es versteht sich, dass die erste Halbleiterschicht 210 und die weitere erste Halbleiterschicht 205 als separate Schichten mit verschiedenen Dotierungen aufgefasst werden können. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Kombination dieser Schichten auch als eine Schicht aufzufassen, die ein variables Dotierprofil besitzt. Gleiches gilt für die zweite und die weitere zweite Halbleiterschicht 220, 225.
4 zeigt das erste Dotierprofil 211 und das zweite Dotierprofil 221 der Halbleiterschichten entlang der Querschnittslinie A-A’ der 3. Der hochdotierte Bereich 300 ist nur in einem begrenzten Gebiet um den pn-Übergang 215 herum ausgebildet und die Dotierung fällt beidseitig außerhalb des Bereiches 300 schnell ab.
Das erste Dotierprofil 211 ist vom ersten Leitfähigkeitstyp und hat ein Maximum in der Nähe des pn-Übergangs 215 bei der Position x1. Das zweite Dotierprofil 221 ist vom zweiten Leitfähigkeitstyp und hat ebenfalls ein Maximum in der Nähe der Position x1 des pn-Übergangs 215.
Die Breite des hochdotierten Übergangsbereiches 300 kann beispielsweise derart gewählt werden, dass die Raumladungszone des pn-Übergangs 215 sich im Wesentlichen in dem hochdotierten Übergangsbereich 300 erstreckt. Beispiele für diese Breite sind: 2 µm oder 1 µm oder 0,4 µm.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Solarzelle, bei der im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 3 ein erster hochdotierter Anschlussbereich 201 zwischen der weiteren ersten Halbleiterschicht 205 und den ersten elektrischen Kontaktanschlüssen 110a, 110b und ein zweiter hochdotierter Anschlussbereich 229 zwischen der weiteren zweiten Halbleiterschicht 225 und den zweiten elektrischen Kontaktanschlüssen 120a, 120b ausgebildet sind. Die hochdotierten Anschlussbereiche 201, 229 sind vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die benachbarten Halbleiterschichten. Allerdings sind sie höher dotiert und dienen der besseren Stromzuführung und Stromabführung. Alle übrigen Schichten sind analog ausgebildet, wie es in dem Ausführungsbeispiel der 3 zu sehen ist. Wie auch bei dem Ausführungsbeispiel der 3, können die Schichtfolgen der 5 als separate Schichten mit verschiedenen Dotierungen aufgefasst werden, oder als eine Schicht, die ein variables Dotierprofil aufweist.
6 zeigt die entsprechenden Dotierprofile für die Schichtstruktur der 5, wobei ein erstes Dotierprofil 211 (z.B. n-dotiertes Material) die Schichtfolge der ersten Hableiterschicht 210, der weiteren ersten Hableiterschicht 205 und des ersten hochdotierten Anschlussbereichs 201 dargestellt. Darüber hinaus ist ein zweites Dotierprofil 221 (z.B. p-dotiertes Material) für die Schichtfolge der zweiten Halbleiterschicht 220, der weiteren zweiten Hableiterschicht 225 und des zweiten hochdotierten Anschlussbereichs 229 dargestellt.
Die Dotierprofile 211, 221 sind Dotierkonzentrationen entlang der Querschnittlinie A-A’ aus der 5, wobei der Wert x = 0 der Position der ersten elektrischen Kontaktanschlüsse 110a, 110b entspricht. Mit zunehmendem Wert x fällt das erste Dotierprofil 211 der beispielhaften n-dotierten Bereiche zunächst ab und erreicht ein Minimum im Bereich der weiteren ersten Halbleiterschicht 205. Anschließend steigt das erste Dotierprofil 211 in der Nähe des pn-Übergangs bei der Position x = x1 wieder an, um schließlich für x > x1 zu verschwinden. Komplementär hierzu ist die Dotierkonzentration des zweiten Dotierprofils 221. Für Werte x < x1 liegt keine Dotierung vor, steigt ab dem pn-Übergang bei x = x1 an, um dort wiederum den Bereich erhöhter Dotierung zu bilden. Anschließend fällt das zweite Dotierprofil 212 im Bereich der weiteren zweiten Halbleiterschicht 225 ab und steigt schließlich in der Nähe der zweiten elektrischen Kontaktanschlüsse 120a, 120b bei einem Wert von x = x2 wieder an (um dort den hochdotierten Anschlussbereich 229 zu bilden).
Die gezeigten Dotierprofile, in welchen das erste Dotierprofil 211 ein n-dotiertes Material darstellt und das zweite Dotierprofil 212 ein p-dotiertes Material darstellt, sind lediglich Beispiele und können ebenso komplementär hierzu gebildet werden. Wesentlich ist lediglich, dass um den pn-Übergang bei der Position x = x1 Bereiche erhöhter Dotierung aufeinander treffen, um einen hochdotierten pn-Bereich 300 zu bilden. Der hochdotierte pn-Bereich 300 kann beispielsweise eine Konzentration von zumindest 1·10¹⁸ cm^–3 oder eine Breite von weniger als 2 µm aufweisen. Alternativ kann dieser Bereich auch funktional dadurch definiert werden, dass der Bereich 300 derart gebildet wird (z.B. hinsichtlich seiner Breite und Dotierkonzentration), dass der Bereich 300 im Wesentlichen die Raumladungszone des pn-Übergangs 215 definiert.
7 veranschaulicht Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den konventionellen Solarzellen. Auf der linken Seite der 7 ist ein Beispiel für eine konventionelle Solarzelle ohne integrierter Bypass-Diode dargestellt, wobei zwischen einem Emitter E und einer Basis B ein erstes Halbleitermaterial 205 mit einem zweiten Halbleitermaterial 225 aneinander grenzen, um einen pn-Übergang 235 zu bilden. In der gezeigten Solarzelle ist entlang des pn-Überganges 235 kein Bereich erhöhter Dotierung ausgebildet, so dass eine Dotierkonzentration des ersten Halbleitermaterials 205 und des zweiten Halbleitermaterials 225 nicht zum pn-Übergang hin ansteigt. Insbesondere sind die Dotierkonzentrationen der konventionellen Solarzellen derart gebildet, dass sich die Raumladungszone möglichst breit über das Halbleitermaterial ausdehnt, was durch eine entsprechend geringe Dotierung des Halbleitermaterials erreicht wird.
Auf der rechten Seite der 7 ist eine Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Sie unterscheidet sich von der konventionellen Solarzelle durch den pn-Übergang 215, der gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Bereich erhöhter Dotierung gebildet ist. Dazu sind beidseitig vom pn-Übergang 215 die erste Halbleiterschicht 210 mit erhöhter Dotierung und die zweite Halbleiterschicht 220 mit erhöhter Dotierung ausgebildet. Unter einer erhöhten Dotierung soll beispielsweise eine Dotierung verstanden werden, die eine Dotierkonzentration von zumindest 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist oder zumindest größer ist als die Dotierung der angrenzenden Schichten des gleichen Leitfähigkeitstyps (d.h. der Schichten 205, 225).
Der Emitter E kann beispielsweise den ersten elektrischen Kontaktanschluss 110 darstellen oder diesen kontaktieren. Die Basis B kann beispielsweise den zweiten elektrischen Kontaktschluss 120 darstellen oder diesen kontaktieren.
In der Mitte der 7 sind die Stromdichten und die Leistungsdichten als Funktionen der Spannung dargestellt, wobei der Graph 510 die Stromdichte mit einer internen Bypass-Diode darstellt, der Graph 520 die Leistungsdichte mit einer integrierten Bypass-Diode darstellt, der Graph 530, die Stromdichte ohne eine integrierte Bypass-Diode darstellt und der Graph 540, die Leistungsdichte ohne eine integrierte Bypass-Diode darstellt. Somit entsprechen die Graphen 510 und 520 Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, währenddessen die Graphen 530 und 540 der konventionellen Solarzelle entsprechen.
Die konkreten Werte veranschaulichen deutlich, dass die Stromdichte (in Sperrrichtung) bei Ausführungsbeispielen deutlich abgesenkt wurde, während die Leistungsdichte sich erhöht hat (im Vergleich zu der konventionellen Diode). Somit erreichen Ausführungsbeispiele eine erhöhte Dissipation bei einer geringen Stromdichte, was zu einer geringeren Erhitzung der Diode führt.
Die gezeigten konkreten Werte entsprechen den folgenden beispielhaften Solarzellen. Bei der konventionellen Solarzelle hat die erste Halbleitermaterial 205 eine Dicke von ca. 110 µm und ist n-dotiert mit einer Basisdotierung von ca. 4,5 10¹⁴ cm^–3. Der spezifische Widerstand beträgt 10 Ohm·cm. Die zweite Halbleitermaterial 225 hat eine Dicke von ca. 50 µm, ist p-dotiert mit einer Basisdotierung von ca. 5 10¹⁷ cm^–3 und hat einen Flächenwiderstand von ca. 0.05823 Ohm·cm. Für die Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wurden folgende Parameter als Beispiel genutzt: die erste Schichtfolge (Schicht 205 und erste Halbleiterschicht 210) ist n-dotiert mit einer Dicke von ca. 110 µm und einer Basisdotierung von ca. 4,5 10¹⁴. Der spezifische Widerstand beträgt 10 Ohm·cm. Außerdem ist die erste Halbleiterschicht 210 durch eine Rückdiffusion vom Typ n mit einem Profiltyp „erf“, einem Tiefenfaktor von 0,13 und einer Maximalkonzentration von 1,3 10¹⁹ gebildet. Die zweite Schichtfolge (Schicht 225 und zweite Halbleiterschicht 220) ist p-dotiert, hat eine Dicke von ca. 50 µm und eine Basisdotierung von 5·10¹⁷ cm^–3. Der spezifische Widerstand beträgt 0,05823 Ohm·cm. Die zweite Halbleiterschicht 220 wurde durch eine erste Vorderdiffusion vom Typ p und einem Profil „erf“ mit einem Tiefenfaktor von 0.5 und einer Maximalkonzentration von 1,3·10¹⁹ cm^–3 ausgebildet (das Dotierprofil „erf“ ist die Gaußsche Fehlerfunktion, die sich bei der Diffusion aus der Gasphase im Diffusionsrohr im Halbleiter einstellt).
Die 8A, 8B zeigen die konkreten Dotierprofile für die genannten konkreten Solarzellen.
Die 8A zeigt die Donor-Dotierkonzentration 610 (der ersten Schichtfolge) und die Akzeptor-Dotierkonzentration 620 (der zweiten Schichtfolge) als Funktion der Entfernung von der Vorderseite. Die Dotierkonzentration bleibt bis in die Nähe des pn-Überganges 215 zunächst konstant, wo die Donor-Dotierkonzentration 610 plötzlich stark ansteigt von dem Wert von ungefähr 4,5·10¹⁴ bis auf einen Wert von ungefähr 1,3·10¹⁹ cm^–3 in der Region der ersten Halbleiterschicht 210. Komplementär hierzu verhält sich die Akzeptor-Dotierkonzentration 620, die an dem pn-Übergang 215 plötzlich ansteigt auf einen Wert von ungefähr 1,3·10¹⁹ in der Region der zweiten Halbleiterschicht 220 und dann außerhalb dieser Region abfällt auf ca. 5·10¹⁷ und konstant bleibt.
Die 8B zeigt die entsprechenden Energiebänder für die beispielhafte Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung (wie in 7 definiert). Insbesondere ist eine Leitungsbandkante 710, eine Valenzbandkante 720, eine Quasi-Fermienergieniveau von Elektronen 730 und ein Quasi-Fermienergieniveau von Löchern 740 gezeigt. Die Energiebandkante 710 ist dabei im ersten Bereich (der ersten Schichtfolge) im Wesentlichen konstant bei einem Wert von ca. 0,3 eV und springt am pn-Übergang 215 auf einen Wert von ca. 1 eV. Die Valenzbandkante 720 weist im ersten Bereich einen Wert von ca. –0,8 eV auf und im zweiten Bereich (der zweiten Schichtfolge) einen Wert von ca. –0,1 eV auf. Die Quasi-Fermienergie der Elektronen 730 ist nahezu Null im ersten Bereich und springt auf einen Wert von ca. 0,6 eV im zweiten Bereich. Die Quasi-Fermienergie der Löcher 740 ist ca. –0,6 eV im ersten Bereich und springt auf einen Wert von ca. Null im zweiten Bereich.
Wie aus der 8B ersichtlich ist, ändern sich die Energiebänder infolge der hohen Dotierung lediglich in der näheren Umgebung des pn-Übergangs 215. Ansonsten weisen sie die gleichen Werte auf, wie für konventionelle Solarzellen.
9 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ausbilden S110 einer ersten Halbleiterschicht 210 mit einem ersten Dotierprofil 211; Ausbilden S120 einer zweiten Halbleiterschicht 220 mit einem zweiten Dotierprofil 221; und Ausbilden S130, an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle, eines ersten elektrischen Kontaktanschlusses 110 an der ersten Halbleiterschicht 210 und eines zweiten elektrischen Kontaktanschlusses 120 an der zweiten Halbleiterschicht 220. Die erste Halbleiterschicht 210 und die zweite Halbleiterschicht 220 werden in dem Verfahren komplementär zueinander dotiert und bilden einen pn-Übergang 215, wobei das erste Dotierprofil in Richtung zum pn-Übergang 215 ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist, und wobei das zweite Dotierprofil 221 in Richtung zum pn-Übergang 215 ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist.
Optional können die erste Halbleiterschicht 210 und/oder die zweite Halbleiterschicht 220 durch ein epitaktisches Aufwachsen gebildet werden, wobei das erste Dotierprofil 211 und das zweite Dotierprofil 221 während des Schrittes des epitaktischen Aufwachsens ausgebildet werden. Als Teil des Schrittes des epitaktischen Aufwachsens können ebenfalls die weitere erste Schicht 205 und die weitere zweite Schicht 225 gebildet werden. Insbesondere kann die gesamte Schichtfolge der Solarzelle in einem Schritt (epitaktischen Aufwachsen) gebildet werden, wobei lediglich das Dotierprofil während des Aufwachsens geändert wird.
Wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung können auch wie folgt zusammengefasst werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Bypass-Diode, die ganzflächig über die Zellfläche ausgebildet ist, d.h. ein beidseitig hochdotierter pn-Übergang wird ganzflächig über die Zelle realisiert (siehe 1, 3 und 5). Die integrierte Bypass-Diode wird im Volumen des Wafers ausgebildet. Der beidseitig hochdotierte pn-Übergang ist mehrere µm tief im Halbleiterwafer ausgebildet (siehe 1, 3 und 5). Außerdem können die beidseitig hochdotierten Bereiche lediglich im Bereich der Raumladungszonen ausgebildet werden und weitere hochdotierte Bereiche können an der Oberfläche der Zelle vorgesehen sein (siehe 5). Die vorgeschlagenen Dotierprofile können beispielsweise mittels eines epitaktischen Aufwachsens von dotiertem Silizium erzeugt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten somit die Vorteile, dass die integrierte Bypass-Diode einen reduzierten Leistungsverlust zeigt und einen kostengünstigen Modulaufbau erlaubt. Die ganzflächige Ausgestaltung der integrierten Bypass-Diode bietet weiter den Vorteil, dass die Energiedichte, welche in Wärme umgewandelt wird, reduziert ist (siehe 7). Durch die ganzflächige Ausgestaltung der Bypass-Diode wird außerdem das Risiko einer lokalen Überhitzung reduziert. Gleichzeitig wird durch die ganzflächige Ausgestaltung die Toleranz der maximalen Durchbruchsspannung erhöht. Aufgrund der größeren Fläche (quasi die komplette Zellfläche) kann die Gesamtleistung, welche im Durchbruch entsteht, größer sein.
Das Vergraben der Bypass-Diode bietet ferner den Vorteil, dass lokale Inhomogenitäten an der Oberfläche keinen negativen Einfluss auf das Durchbruchsverhalten der Bypass-Diode haben können. Der Übergang im Volumen des Wafers weist eine höhere Homogenität auf, wodurch die Einstellung der Dotierungen für ein gewünschtes Durchbruchsverhalten erleichtert wird.
Das Verfahren mittels epitaktischen Aufwachsens ist leicht umsetzbar und ermöglicht eine Steuerung der Zusammensetzung der Gase. Hierdurch wird eine Steuerung der Dotierung während des Schichtwachstums ermöglicht.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

110, 110a, b: erster elektrischer Kontaktanschluss
120, 120a, b: zweiter elektrischer Kontaktanschluss
210: erste Hableiterschicht
201, 229: hochdotierte Anschlussbereiche
205: weitere erste Halbleiterschicht
211: erste Dotierung
220: zweite Halbleiterschicht
221: zweite Dotierung
215: pn-Übergang
225: weitere zweite Halbleiterschicht
235: pn-Übergang einer konventionellen Solarzelle
300: Bereich erhöhter Dotierung beim pn-Übergang
510, 530: Stromdichten
520, 540: Leistungsdichte
610: Donor-Dotierkonzentration
620: Akzeptor-Dotierkonzentration
710: Leitungsbandkante
720: Valenzbandkante
730: Quasi-Fermienergie der Elektroden
740: Quasi-Fermienergie der Löcher
x1: Position des pn-Übergangs

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

DE 102008047162 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Müller et al. „Analysis of n-Type IBC Solar Cells with Diffused Boron Emitter Locally-Blocked by Implanted Phosphorus“ [0007]
S. R. Wenham et al. „Screen-Printed Processing of Solar Cells incorporating Integral Bypass Diodes” [0008]

Claims

Solarzelle mit: einem ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) und einem zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120), die an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle ausgebildet sind; einer ersten Halbleiterschicht (210), die durch den ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) elektrisch kontaktierbar ist und eine erste Dotierung (211) aufweist; und einer zweiten Halbleiterschicht (220), die durch den zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120) elektrisch kontaktierbar ist und eine zweite Dotierung (221) aufweist, wobei die erste Dotierung (211) und zweite Dotierung (221) komplementär zueinander sind und jeweils einen Wert von zumindest 1·10¹⁸ cm^–3 aufweisen, um einen pn-Übergang (215) hoher Dotierung zu bilden.
Solarzelle mit: einem ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) und einem zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120), die an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle ausgebildet sind; einer ersten Halbleiterschicht (210), die durch den ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) elektrisch kontaktierbar ist und ein erstes Dotierprofil (211) aufweist; und einer zweiten Halbleiterschicht (220), die durch den zweiten elektrischen Kontaktanschluss (120) elektrisch kontaktierbar ist und ein zweites Dotierprofil (221) aufweist, wobei die erste Halbleiterschicht (210) und die zweite Halbleiterschicht (220) komplementär dotiert sind und einen pn-Übergang bilden, wobei Dotierungen des ersten Dotierprofils (211) und/oder des zweiten Dotierprofils (221) in Richtung zu dem pn-Übergang (215) zunehmen.
Solarzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Solarzelle einen Strompfad für einen durch Licht bewirkten elektrischen Strom aufweist und der pn-Übergang (215) mit hoher oder erhöhter Dotierung ganzflächig oder zumindest auf 70% einer Querschnittsfläche des Strompfads in der Solarzelle ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der pn-Übergang (215) von den gegenüberliegenden Seiten einen Mindestabstand aufweist und der Mindestabstand größer ist als 1 µm oder größer ist als 5 µm.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (210) und die zweite Halbleiterschicht (220) entlang des pn-Überganges (215) eine Mindestdotierung aufweisen, wobei die Mindestdotierung durch einen aus den folgenden Werten gegeben ist: 1·10¹⁸ cm^–3, 5·10¹⁸ cm^–3, 1·10¹⁹ cm^–3.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bereich erhöhter Dotierung sich von dem pn-Übergang (215) bis zu einem Abstand erstreckt, der kleiner ist als 1 µm oder kleiner ist als 0,5 µm oder kleiner ist als 0,2 µm.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (210) und die zweite Halbleiterschicht (220) eine hohe oder erhöhte Dotierung nur in einem Bereich einer Raumladungszone des pn-Übergangs (215) aufweisen.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Halbleiterschicht (210) und/oder die zweiten Halbleiterschicht (220) jeweils ein Dotierprofil (211, 221) aufweisen, die in Richtung zu dem ersten elektrischen Kontaktanschluss (110) und/oder zu dem zweiten elektrischen Kontaktanschlusses (120) zunimmt, um dort hochdotierte Anschlussbereiche (201, 229) zu bilden.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (210) und/oder die zweite Halbleiterschicht (220) eine Epitaxie-Schicht ist, die mittels eines epitaktischen Aufwachsens von dotiertem Silizium gebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarzelle seriell mit benachbarten Solarzellen verschaltet ist und der pn-Übergang mit hoher oder erhöhter Dotierung eine Bypass-Diode bildet, die bei Ausfall oder Abschattung der Solarzelle einen von den benachbarten Solarzellen erzeugten Durchbruchstrom ermöglicht.
Modul mit mehreren seriell verschalteten Solarzellen, wobei jede der seriell verschalteten Solarzellen eine Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit folgenden Schritten: Ausbilden (S110) einer ersten Halbleiterschicht (210) mit einem ersten Dotierprofil (211); Ausbilden (S120) einer zweiten Halbleiterschicht (220) mit einem zweiten Dotierprofil (221); Ausbilden (S130), an gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle, eines ersten elektrischen Kontaktanschlusses (110) an der ersten Halbleiterschicht (210) und eines zweiten elektrischen Kontaktanschlusses (120) an der zweiten Halbleiterschicht (220), wobei die erste Halbleiterschicht (210) und die zweite Halbleiterschicht (220) komplementär zueinander dotiert sind und einen pn-Übergang (215) bilden und das erste Dotierprofil in Richtung zum pn-Übergang (215) ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist, und wobei das zweite Dotierprofil (221) in Richtung zum pn-Übergang (215) ansteigt oder zumindest einen Wert von 1·10¹⁸ cm^–3 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Halbleiterschicht (210) und/oder die zweite Halbleiterschicht (220) durch ein epitaktisches Aufwachsen gebildet werden, wobei das erste Dotierprofil (211) und das zweite Dotierprofil (221) während des Schrittes des epitaktischen Aufwachsens gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in dem Schritt des epitaktischen Aufwachsens eine weitere erste Halbleiterschicht (205) zwischen dem ersten Kontaktanschluss (110) und der ersten Halbleiterschicht (210) gebildet wird und eine weitere zweite Halbleiterschicht (225) zwischen dem zweiten Kontaktanschluss (120) und der zweiten Halbleiterschicht (220) gebildet wird, und wobei die weitere erste Halbleiterschicht (205) eine geringere Dotierung aufweist als die erste Halbleiterschicht (210) und die weitere zweite Halbleiterschicht (225) eine geringere Dotierung aufweist als die zweite Halbleiterschicht (220).