DE102021115260A1 - Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie - Google Patents

Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie, mit den VerfahrensschrittenA. Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats;B. Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zur Ausbildung zumindest einer Photovoltaikzelle mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zumindest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen; wobei das Superstrat als Stromleitschicht ausgebildet ist mit einer Dicke größer 10 µm und in Verfahrensschritt B die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend mit der Stromleitschicht verbunden ausgebildet werden und wobei die Bandlücke der Stromleitschicht um zumindest 50 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie gemäß Anspruch 1.
  • Zur Wandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie ist die Verwendung von Photovoltaikzellen bekannt. Abhängig von der Anwendung werden Photovoltaikzellen auch als Solarzelle (insbesondere zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie), photonische Leistungswandler (photonic power converter), Laserleistungszellen (laser power converter), photovoltaic power converter, oder Phototransducer bezeichnet.
  • In Systemen zur optischen Leistungsübertragung werden Photovoltaikzellen eingesetzt, um elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln, welche von einer Strahlungsquelle erzeugt wird. Hierbei spielt der Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle für den Gesamtwirkungsgrad des Systems eine essenzielle Rolle.
  • Typische Photovoltaikzellen in solchen Systemen weisen eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht auf, welche sich gegenüber einer Schicht, welche aus einem indirekten Halbleiter gebildet ist, durch eine bei gleicher Dicke der Absorberschicht erheblich höhere Absorption der einfallenden Strahlung auszeichnet.
  • Typische Photovoltaikzellen zur Wandlung von einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie, welche in Systemen zur optischen Leistungs- und/oder Signalübertragung verwendet werden, weisen an einer der einfallenden Strahlung zugewandten Vorderseite metallische Kontaktstrukturen auf, um Ladungsträger abzuführen.
  • Bei der Ausgestaltung dieser metallischen Kontaktstruktur sind zwei gegenläufige Effekte zu berücksichtigen: Einerseits ist ein hoher Bedeckungsgrad der Vorderseite durch die metallische Kontaktierungsstruktur erwünscht, um Serienwiderstandsverluste zu verringern. Andererseits wird an der durch die metallische Kontaktierungsstruktur bedeckten Vorderseite keine Strahlung in die Photovoltaikzelle eingekoppelt, sodass optische Verluste entstehen. Hieraus ergibt sich ein bekanntes Optimierungsproblem, welches bei typischen Photovoltaikzellen auftritt.
  • Die Relevanz der vorgenannten Verluste steigt zudem mit der auf die Photovoltaikzelle auftreffende Leistung, da die Verlustleistung quadratisch mit dem zu erwartenden Photostrom der Photovoltaikzelle steigt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, welches eine kosteneffiziente Herstellung von Photovoltaikzellen mit geringer Abschattung der Photovoltaikzelle und damit hoher Lichteinkopplung bei gleichzeitig geringen Serienwiderstandsverlusten bei Ableiten von Ladungsträgern an der Vorderseite der Photovoltaikzelle ermöglicht.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das eingangs erwähnte Optimierungsproblem bei Ausgestaltungen einer metallischen Kontaktierungsstruktur an der Vorderseite einer Photovoltaikzelle wurde bisher durch eine Minimierung der Gesamtverluste unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen der Photovoltaikzelle, insbesondere der photo-generierten Stromstärke und der Verteilung der Stromflüsse innerhalb der Photovoltaikzelle gelöst. Optimiert wurden dabei die Menge, insbesondere Dicke, und Anordnung der metallischen Kontaktierungsstruktur.
  • Typische Metallisierungsstrukturen weisen daher eine sogenannte Kammstruktur auf, bei welcher ausgehend von einem geradlinigen Busbar mit einer höheren Querschnittsfläche sich senkrecht zu dem Busbar parallel liegende Metallfinger mit geringerer Querschnittsfläche erstrecken. Für Photovoltaikzellen, bei welchen in einem definierten Empfangsbereich elektromagnetische Strahlung auftritt, insbesondere Photovoltaikzellen zur Verwendung bei der Leistungsübertragung in Kombination mit einer Strahlungsquelle oder Konzentrator-Photovoltaikzellen, sind außerhalb des Empfangsbereichs angeordnete Busbars, auch kontinuierlich umlaufende Busbars, insbesondere ringförmige Busbars bekannt, wobei sich ausgehend von den Busbars die Metallfinger in die von dem Busbar eingegrenzte Fläche erstrecken.
  • Beispiele für Ergebnisse solcher Optimierungen der metallischen Kontaktierungsstrukturen sind beispeilsweise in C. Algora, „Very-High-Concentration Challenges of III-V Multijunction Solar Cells,“ in Springer Series in Optical Sciences, Concentrator Photovoltaics, A. L. Luque and V. M. Andreev (Hrsg.), Berlin Heidelberg: Springer, 2007, pp. 89-111 und M. Steiner, S. P. Philipps, M. Hermle, A. W. Bett, F. Dimroth, „Validated front contact grid simulation for GaAs solar cells under concentrated sunlight,“ Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 19, no. 1, pp. 73-83, 2010 aufgeführt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Bedeckungsgrad, mit welchem eine dem Strahlungseinfall zugewandte Vorderseite einer Photovoltaikzelle von einer metallischen Kontaktierungsstruktur bedeckt ist, erheblich reduziert werden kann, wenn nicht-metallische Elemente mit guter elektrischer Querleitungsfähigkeit vorgesehen werden, welche parallel zu der Vorderseite eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Transparenz gegenüber der umzuwandelnden elektromagnetischen Strahlung gegenüber der metallischen Kontaktierungsstruktur aufweisen. Erfindungsgemäß wird daher eine Halbleiter-Stromleitschicht vorgesehen, welche eine verglichen mit vorbekannten Schichtstrukturen große Dicke aufweist.
  • Das Abscheiden einer Halbleiterschicht mit großer Dicke auf eine Halbleiterstruktur stellt jedoch einen kostenintensiven Verfahrensschritt dar. Erfindungsgemäß erfolgt daher die Herstellung der Photovoltaikzelle in Superstrat-Konfiguration: Im Unterschied zu der typischerweise verwendeten Substrat-Konfiguration wird bei der Superstrat-Konfiguration die Solarzelle ausgehend von der dem Strahlungseinfall zugewandten Vorderseite hergestellt. Das Substrat, auf welchem die Schichten zur Ausbildung der Photovoltaikzelle aufgebracht werden, befindet sich somit bei der späteren Verwendung an der Vorderseite der Photovoltaikzelle und wird daher als Superstrat bezeichnet und erfüllt gleichzeitig die Funktion vorgenannten Halbleiter-Stromleitschicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie weist folgende Verfahrensschritte auf:
    1. A. Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats;
    2. B. Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zur Ausbildung von Photovoltaikzellen mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zumindest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen;
    wobei das Superstrat als Stromleitschicht ausgebildet ist mit einer Dicke größer 10 µm und in Verfahrensschritt B die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend mit der Stromleitschicht verbunden ausgebildet werden und wobei die Bandlücke der Stromleitschicht um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht.
  • Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Photovoltaikzelle zeichnet sich somit dadurch aus, dass mittels der aus einem direkten Halbleiter ausgebildeten Absorberschicht eine effiziente Absorption elektromagnetischer Strahlung zur Umwandlung in elektrische Energie erfolgt, dass die Stromleitschicht mit einer Dicke größer 10 µm, welche aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist, eine elektrische Querleitung von Ladungsträgern ermöglicht und dass aufgrund der unterschiedlichen Bandlücke von Stromleitschicht und Absorberschicht eine Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung in der Stromleitschicht vermieden werden kann oder zumindest eine Optimierung hinsichtlich einer vorgegebenen einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem vorgegebenen Spektrum möglich ist, sodass die Absorption in Wesentlichen in der Absorberschicht und nicht oder nur geringfügig in der Stromleitschicht erfolgt.
  • Aufgrund der Querleitung von Ladungsträgern in der Stromleitschicht an der Vorderseite der Photovoltaikzelle wird somit die Funktion der metallischen Kontaktierungsstruktur an der Vorderseite vorbekannter Photovoltaikzellen bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle zumindest teilweise durch die Stromleitschicht übernommen, sodass eine Reduzierung der metallischen Kontaktierungsstruktur, insbesondere eine Reduzierung des Bedeckungsgrades der Vorderseite der Photovoltaikzelle mit einer metallischen Kontaktierungsstruktur ohne erhebliche Verluste aufgrund von Serienwiderstandseffekten ermöglicht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus besonders kosteneffizient ausgebildet:
    • Bei der Herstellung von Photovoltaikzellen, insbesondere monolithischen Photovoltaikzellen, wird wie vorangehend beschrieben typischerweise ein Substrat benötigt, auf welches die Schichten der Photovoltaikzelle aufgebracht werden, typischerweise epitaktisch aufgebracht werden. Das Aufbringen einer dicken Schicht wie der Stromleitschicht stellt jedoch einen kostenintensiven Verfahrensschritt dar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass ein Superstrat verwendet wird, welches als Stromleitschicht Bestandteil der Photovoltaikzelle ist, so dass die Stromleitschicht nicht aufgebracht, insbesondere nicht epitaktisch aufgebracht werden muss. Das Superstrat befindet sich auf der bei Verwendung der Photovoltaikzelle der einfallenden Strahlung zugewandten Seite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten.
  • Vorteilhafterweise werden die Stromleitschicht und die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten monolithisch ausgebildet. Hierdurch ergibt sich ein robuster Aufbau und es werden Verfahrensschritte zum Zusammenfügen einzelner Bauelemente vermieden.
  • Um eine Querleitfähigkeit der Stromleitschicht zu gewährleisten, weist die Stromleitschicht bevorzugt eine Dotierung mit einem Dotierstoff des n-Dotierungstyps, oder des p-Dotierungstyps auf. Die Dotierkonzentration ist bevorzugt größer 1016 cm-3, weiter bevorzugt größer 5×1016 cm-3, insbesondere größer 1017 cm-3.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Stromleitschicht eine Dotierkonzentration auf, welche kleiner ist als 1019 cm-3, bevorzugt kleiner als 5×1018 cm-3. Die freie Ladungsträgerabsorption einer dotierten Halbleiterschicht hängt von der Dotierung ab. Eine niedrigere Dotierung führt somit zu einer geringeren Absorption in der Stromleitschicht verglichen mit einer höheren Dotierung.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Photovoltaikzelle ist wie vorbekannte Photovoltaikzellen verwendbar. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung der erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle in Kombination mit räumlich begrenzter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere fokussierter und/oder konzentrierter Strahlung.
  • Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle in einem Übertragungssystem zur Energie- und/oder Signalübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung.
  • Solche Systeme weisen zumindest eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Die Strahlung der Strahlungsquelle trifft zumindest teilweise auf einen Empfangsbereich einer Photovoltaikzelle des Übertragungssystems, sodass Energie und/oder Signale mittels der elektromagnetischen Strahlung übertragen werden können. Wie vorangehend beschrieben, ist der Empfangsbereich derjenige Bereich der Oberfläche der Solarzelle, in welchem die einfallende Strahlung auftrifft oder zumindest der energetisch wesentliche Anteil der einfallenden Strahlung.
  • Bei einer Verwendung in solchen Übertragungssystemen ist das Spektrum der Strahlungsquelle typischerweise bekannt. Ein solches Spektrum ist typischerweise schmalbandiger als das Sonnenspektrum, d.h. es weist eine geringere Breite der Spektralverteilung (full width at half maximum, FWHM) auf. Eine gängige Kenngröße eines solchen Spektrums ist die dominante Photonenenergie, d.h. derjenige Energiewert im Spektrum, an welchem die größte Anzahl an Photonen emittiert wird.
  • Vorteilhafterweise erfolgt daher eine Optimierung der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie hinsichtlich der Intensität und des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle. Insbesondere erfolgt bevorzugt eine Optimierung der Bandlücken von Superstrat und Absorberschicht abhängig von einer vorgegebenen dominanten Photonenenergie.
  • Es ist daher vorteilhaft, dass das Superstrat eine Bandlücke aufweist, welche größer, insbesondere um 10 meV bis 500 meV, größer ist als eine vorgegebene dominante Photonenenergie und dass die Absorberschicht mit einer Bandlücke ausgebildet wird, welche kleiner, insbesondere um 1 meV bis 150 meV, bevorzugt um 10 meV bis 80 meV kleiner ist als die dominante Photonenenergie.
  • Es ist somit insbesondere vorteilhaft, dass das Superstrat eine Bandlücke aufweist, welche größer, insbesondere um einen Wert im Bereich 51 meV bis 650 meV, bevorzugt im Bereich 60 meV bis 580 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht.
  • Ausgehend von Strahlungsquellen für typische Anwendungen eines Übertragungssystems liegt die vorgegebene dominante Photonenenergie bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 eV und 2,5 eV, besonders bevorzugt im Bereich 0,74 eV und 1,55 eV, insbesondere in einem der Bereiche 1,38 eV bis 1,55 eV, 1,13 eV bis 1,38 eV, 0,88 eV bis 1,00 eV, und 0,74 eV bis 0,88 eV.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, die Absorberschicht mit Materialien abhängig von dem vorgegebenen Bereich der dominanten Photonenenergie auszubilden, gemäß der folgenden Tabelle:
    Bereich dominante Photonenenergie Material Absorberschicht
    1,38 eV bis 1,55 eV GaAs, AlGaAs, GalnAsP
    1,38 eV bis 1,55 eV oder GalnAs oder InGaAsP oder AllnGaAs
    1,13 eV bis 1,38 eV oder
    0,88 eV bis 1,00 eV oder
    0,74 eV bis 0,88 eV
  • Die Breite der vorgegebenen Spektralverteilung (FWHM) ist für typische Strahlungsquellen kleiner 150 nm.
  • Wie zuvor erläutert, übernimmt die Stromleitschicht aufgrund der Querleitfähigkeit für Ladungsträger zumindest teilweise die Funktion einer metallischen Kontaktstruktur bei vorbekannten Photovoltaikzellen. Zur Verschaltung der Photovoltaikzelle mit einem externen Stromkreis und/oder zur Unterstützung der Querleitfähigkeit der Stromleitschicht ist es vorteilhaft, an einer Vorderseite des Superstrats eine metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur ausgebildet wird, welche mittelbar oder unmittelbar an der Vorderseite des Superstrats angeordnet und mit dem Superstrat elektrisch leitend verbunden wird. Die Vorderseite des Superstrats ist die den Photovoltaik-Halbleiterschichten abgewandte Seite des Superstrats.
  • Die Stromleitschicht weist bevorzugt einen wie zuvor beschriebenen Empfangsbereich zum Empfang einfallender elektromagnetischer Strahlung auf. Die metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur wird bevorzugt derart ausgebildet, dass der Bedeckungsgrad der Vorderseitenkontaktierungsstruktur im Empfangsbereich < 5 %, insbesondere < 3 %, bevorzugt < 1 %, weiter bevorzugt < 0,2 % ist. Wenn ein wesentlicher Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung im Empfangsbereich auf die Stromleitschicht auftrifft, erfolgt somit nur eine geringe Abschattung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch die Vorderseitenkontaktierungsstruktur. Eine Bedeckung der Stromleitschicht mit der metallischen Vorderseitenkontaktierungsstruktur außerhalb des Empfangsbereichs führt hingegen zu keinen oder nur zu geringfügigen Verlusten aufgrund von Abschattung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung.
  • Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass die metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur an einer oder bevorzugt mehreren Seiten des Empfangsbereichs metallische Kontaktierungselemente aufweisend ausgebildet wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur mit einem metallischen Kontaktierungselement ausgebildet wird, welches umlaufend um den Empfangsbereich ausgebildet ist. Diese metallischen Kontaktierungselemente an den Seiten bzw. umlaufend um den Empfangsbereich können somit eine hohe Querschnittsfläche vergleichbar mit vorbekannten Busbars aufweisen.
  • Der Empfangsbereich ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er eine Kreisfläche mit einer Fläche im Bereich 0,01 cm2 bis 1 cm2 überdeckt. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Empfangsbereich kreisförmig auszubilden.
  • Vorteilhafterweise wird an einer der Stromleitschicht abgewandten Rückseite der photovoltaischen Schichtstruktur mittelbar oder unmittelbar eine Spiegelstruktur zur zumindest teilweisen Reflexion der elektromagnetischen Strahlung angeordnet. Die Spiegelstruktur wird elektrisch leitend ausgebildet, sodass rückseitig Ladungsträger über die Spiegelstruktur abgeführt werden können. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Spiegelstruktur mit einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe
    • - Metallschicht, insbesondere Silberschicht oder Goldschicht;
    • - dielektrische Schichtstruktur mit zumindest einer dielektrischen Schicht und zumindest einer Metallschicht;
    • - Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector);
    ausgebildet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten nicht von einem Substrat gelöst werden müssen, sondern auf dem als Stromleitschicht ausgebildeten Superstrat aufgebracht werden, welches somit funktionaler Bestandteil der Photovoltaikzelle ist.
  • Insbesondere bei der vorbeschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung mit Anordnen einer Spiegelstruktur ist dies vorteilhaft, da die Spiegelstruktur bei der typischen vorbekannten Herstellung einer Photovoltaikzelle mit Spiegelstruktur das Aufbringen der Spiegelstruktur nach Ablösen der Solarzelle von dem Substrat erfolgt und somit besondere Anforderungen für den Ablöseprozess vorliegen müssen. Bei der vorliegenden Herstellung der Photovoltaikzelle in Superstrat-Konfiguration erfolgt die Herstellung der Schichten hingegen „von oben nach unten“, d.h. beginnend mit den an der Vorderseite liegenden Schichten und ein Ablösen ist nicht notwendig, so dass keine Beschränkungen bei Ausbilden der Spiegelstruktur vorliegen.
  • Eine optisch spiegelnde und gleichzeitig elektrisch leitfähige Rückseite weist den Vorteil auf, dass einerseits elektromagnetische Strahlung, welche in der photovoltaischen Schichtstruktur zunächst nicht absorbiert wurde, durch die Spiegelstruktur zumindest teilweise reflektiert wird und hierdurch noch eine Absorption dieser Strahlungsanteile in der Absorberschicht erfolgen kann. Bei sehr dünnen Absorberschichten (wenige Mikrometer, insbesondere wenige 100 Nanometer, bis weniger als 100 Nanometer) kann zudem bei geeigneter Auslegung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten durch eine spiegelnde und bevorzugt auch optische streuende, optische beugende oder auf andere Weise Licht-umlenkende Rückseite eine Erhöhung des Absorptionsgrads erzielt werden. Die elektrische Leitfähigkeit ermöglicht darüber hinaus das an sich bekannte Abführen von Ladungsträger an der Rückseite der Schichtstruktur.
  • Vorteilhafterweise wird zwischen Stromleitschicht und photovoltaischer Schichtstruktur eine metamorphe Pufferstruktur angeordnet. Eine solche Pufferstruktur ermöglicht eine graduelle Anpassung der Gitterkonstante zwischen Stromleitschicht und der vorderseitig angeordneten Schicht der photovoltaischen Schichtstruktur. Dies hat den Vorteil, dass Kristalldefekte wie Durchstoßversetzungen innerhalb der photovoltaischen Schichtstruktur reduziert werden können. Eine metamorphe Pufferstruktur an sich ist bei Photovoltaikzellen mit direkten Absorberschichten bekannt und beispielsweise in
    Materials Science Reports
    Volume 7, Issue 3, November 1991, Pages 87-142, Dislocations in strainedlayer epitaxy: theory, experiment, and applications, E.A.Fitzgerald, https://doi.org/1 0.1 016/0920-2307(91)90006-9,
    M. T. Bulsara, C. Leitz, and A. Fitzgerald, „Relaxed InGaAs graded
    buffers grown with organometallic vapor phase epitaxy on GaAs,“ Appl.
    Phys. Lett., vol. 72, pp. 1608-1610, 1998 und
    Relaxed, high-quality InP on GaAs by using InGaAs and InGaP graded buffers to avoid phase separation
    Journal of Applied Physics 102, 033511 (2007);
    https://doi.org/10.1063/1.2764204
    beschrieben.
  • Vorteilhafterweise weisen alle in der metamorphen Pufferstruktur verwendeten Materialien eine Bandlücke größer der dominanten Photonenenergie auf.
  • Vorteilhafterweise wird die metamorphe Pufferstruktur zumindest mit mehreren GalnP Schichten mit stufenweise Anstieg des Indium-Gehaltes wie zum Beispiel in France et al. beschrieben (IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS 1
    Design Flexibility of Ultrahigh Efficiency
    Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells
    Ryan M. France, John F. Geisz, Ivan Garcia, Myles A. Steiner, William E. McMahon, Daniel J. Friedman,
    Tom E. Moriarty, Carl Osterwald, J. Scott Ward, Anna Duda, Michelle Young, and Waldo J. Olavarria).
  • Vorteilhafterweise wird zwischen Stromleitschicht und photovoltaischer Schichtstruktur eine Tunneldiodenschichtstruktur angeordnet. Eine solche Tunneldiodenschichtstruktur weist den Vorteil auf, dass die Polarität der Stromleitschicht von der Polarität der vorderseitig angeordneten Schicht der photovoltaischen Schichtstruktur verschieden sein kann. Ein Beispiel einer Tunneldiodenschichtstruktur ist in France et al. beschrieben.
  • Die Stromleitschicht ist bevorzugt aus zumindest einem Material oder aus Materialkombinationen der Gruppe GaAs, InP, GaSb, Si, Ge, GaP, InAs, AlAs, AlP, InSb, AlSb ausgebildet. Es wird daher bevorzugt ein Superstrat bereitgestellt, welches aus zumindest einem der Materialien oder Materialkombinationen der Gruppe GaAs, InP, GaSb, Si, Ge, GaP, InAs, AlAs, AlP, InSb, AlSb ausgebildet ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet, wobei nach Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt C Trenngräben erzeugt werden, welche die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten, jedoch nicht das Superstrat durchdringen, um eine Mehrzahl durch die Trenngräben separierter Photovoltaikzellen auszubilden
    und in einem Verfahrensschritt D ein Zerteilen des Halbleitersubstrats erfolgt, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen Verfahrensschritt C und D in einem gemeinsamen Verfahrensschritt. Insbesondere ist es vorteilhaft, Verfahrensschritt C und D mittels Plasmaätzen durchzuführen, bevorzugt in situ, d.h. dass beide Verfahrensschritt in einer Reaktorkammer ohne Ausschleusen des Halbleitersubstrats zwischen den Verfahrensschritten durchgeführt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Zerteilen des Halbleitersubstrats in Verfahrensschritt D mittels eines sägeblattfreien Trennverfahrens, bevorzugt mittels laserinduzierten Kristallbruch, insbesondere mittels „thermal laser separation“ (TLS, wie in Zuhlke, 2009, „TLS-Dicing - An innovative alternative to known technologies“ https://doi.org/10.1109/ASMC.2009.5155947 beschrieben) oder mittels „Stealth Dicing“ (SD, wie in F. Fukuyo, K. Fukumitsu and N. Uchiyama, „Stealth dicing technology and applications“, Proc. 6th Int. Symp. Laser Precision Microfabrication, 2005 oder Kumagai et al, 2007, IEEE T Semicond Manufac 20(3) https://doi.org/10.1 109/TSM.2007.901849 beschrieben). So kann der Verlust an Halbleiterfläche durch das Zerteilen (auch kerf loss genannt) minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird kostensparend auf den Verfahrensschritt C verzichtet. Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren somit zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet, wobei nach Verfahrensschritt B in einem in einem Verfahrensschritt D ein Zerteilen des Halbleitersubstrats erfolgt, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln. Zwischen Verfahrensschritt B und Verfahrensschritt D werden keine Trenngräben gemäß des zuvor beschriebenen Verfahrensschrittes C erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, dass hierbei in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Halbleitersubstrats in Verfahrensschritt D mittels eines sägeblattfreien Trennverfahrens erfolgt, wie zuvor beschrieben, bevorzugt mittels laserinduzierten Kristallbruch, insbesondere mittels TLS oder SD.
  • Durch die Einsparung des Verfahrensschritts C wird eine Kosteneinsparung erzielt. Die Verwendung eines sägeblattfreien Trennverfahrens in Verfahrensschritt D, insbesondere TLS oder SD ermöglicht eine bessere Qualität, insbesondere einen besseren Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen, da Unterätzungen der Randfläche in einem Verfahrensschritt C, welche insbesondere bei nasschemischem Mesa Ätzen auftreten, vermieden werden.
  • Die vereinzelten Photovoltaikzellen weisen somit die Vorteile der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle auf. Insbesondere sind die Photovoltaikzellen bevorzugt gemäß der erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle ausgebildet, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon.
  • Vorteilhafterweise erfolgt in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Halbleitersubstrates beginnend von der den Photovoltaikzellen abgewandten Seite des Superstrats. Hierdurch wird eine Beeinträchtigung der Photovoltaikzelle beim Zerteilen des Superstrats vermieden oder zumindest verringert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaik-Halbleiterschichtstruktur als gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ausgebildet. Die einzelnen Teilzellen sind dabei vorteilhafterweise mittels Tunneldioden monolithisch miteinander in Serie verschaltet. Eine gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ist aus Bett et al, 2008, DOI: 10.1109/PVSC.2008.4922910, bekannt. Bevorzugt weist die Photovoltaik-Halbleiterschichtstruktur eine Mehrzahl an pn-Übergängen auf, insbesondere zumindest zwei, weiter bevorzugt zumindest drei pn-Übergänge.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, das Verfahren wie zuvor beschrieben zur Vereinzelung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen auszubilden, wobei jede Photovoltaikzelle jeweils als gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ausgebildet ist.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Materialkombinationen für Superstrat und die Absorberschicht der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt, wobei jeweils das Material und in Klammern die Bandlücke in eV, eine bevorzugte Obergrenze der Bandlücke oder der bevorzugte Bandlückenbereich angegeben ist. Weiterhin sind manche Ausgestaltungen für schmalbandige Spektren mit einer vorgegebenen dominanten Photonenenergie optimiert. Die zugehörige Wellenlänge ist zusätzlich angegeben. Der Zusammenhang zwischen der angegebenen Photonenenergie in [nm] und der Photonenenergie in [eV] ergibt sich aus E = h*c/l mit der Photonenenergie E [eV], der Planckkonstante h [eV s], der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c [nm/s] und der Wellenlänge I [nm].
    Superstrat (Bandlücke [eV]) Absorberschicht (Bandlücke [eV]) dominante Photonenenergie [nm]
    InP (1,35) AllnGaAsP (0,74 bis 1,35), insbesondere InGaAsP oder AllnGaAs (0,8 bis 0,95) 1310
    InP (1,35) InGaAs (0,74) oder InGaAsP (0,74 bis 0,8) 1550
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Materialkombinationen bei Zwischenschaltung einer metamorphen Pufferstruktur wie zuvor beschrieben sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, wobei jeweils das Material und in Klammern die Bandlücke in [eV], eine bevorzugte Obergrenze der Bandlücke oder der bevorzugte Bandlückenbereich angegeben ist. Weiterhin sind manche Ausgestaltungen für schmalbandige Spektren mit einer vorgegebenen dominanten Photonenenergie optimiert. Die zugehörige Wellenlänge ist zusätzlich angegeben.
    Superstrat (Bandlücke [eV]) Absorberschicht (Bandlücke [eV]) dominante Photonenenergie [nm]
    GaAs (1,42) GalnAs oder AlGalnAsP (<1.42)
    GaAs (1,42) GalnAs (0,74 bis 1,42, insbesondere 0,74 bis 0,8) 1550
    GaAs (1,42) GalnAs (0,74 bis 1,42, insbesondere 0,8 bis 0,95) 1310
    GaAs (1,42) GalnAs (0,74 bis 1,42, insbesondere 1,02 bis 1,17) 1064
    GaAs (1,42) GalnAs (0,74 bis 1,42, insbesondere 1,12 bis 1,27) 980
    Ge (0,67) GalnAs (<0,67 eV)
    Si (1,12) GalnAs, GalnAsP, AlGalnAsP (<1,12),
    Si (1,12) GalnAs (0,74 bis 0,8) 1550
    Si (1,12) GalnAs (0,8 bis 0,95) 1310
    Si (1,12) GalnAs (1,02 bis 1,17) 1064
    GaSb (0,73) AlGalnAsSb oder GalnAsSb, (jeweils <0,73)
  • Besonders kostengünstig und daher vorteilhaft ist die Verwendung eines aus Silizium ausgebildeten Superstrats.
  • Die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten können an sich bekannte Halbleiterschichten zur Ausbildung einer Photovoltaikzelle mit einer aus einem direkten Halbleiter ausgebildeten Absorberschicht aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten eine oder mehrere, bevorzugt alle der folgenden Schichten, insbesondere bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgehend von dem Superstrat aufweisen:
    1. a) eine Pufferschicht;
    2. b) eine Passivierungsschicht (FSF, front surface field);
    3. c) eine p- oder n-dotierte Emitterschicht;
    4. d) eine Basisschicht, welche entgegengesetzt zu der Emitterschicht dotiert ist;
    5. e) eine weitere elektrische Passivierungsschicht (BSF, back surface field);
    6. f) eine Kontaktschicht.
  • Je nach Ausgestaltung der Photovoltaikzelle kann die Schicht, in welcher der wesentliche Energieanteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung absorbiert wird, die Emitterschicht oder die Basisschicht sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass Emitter- und Basisschicht einen wesentlichen Beitrag zur Absorption der einfallenden Photonen beitragen. Die Absorberschicht kann somit die Emitterschicht oder die Basisschicht sein oder die Absorberschicht ist mehrteilig ausgebildet und umfasst mehrere Schichten, insbesondere Emitterschicht und Basisschicht. Bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorberschicht sind die genannten Bedingungen hinsichtlich des Unterschieds der Bandlücken zwischen Stromleitschicht und Absorberschicht auf zumindest eine Teilschicht der mehrteiligen Absorberschicht anzuwenden, bevorzugt ist die Bedingung auf die Stromleitschicht und jede der Teilschichten der mehrteiligen Absorberschicht anzuwenden. Bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorberschicht ist die Bandlücke der Stromleitschicht somit um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer als die Bandlücke zumindest einer Teilschicht der Absorberschicht. Bevorzugt ist bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorberschicht die Bandlücke der Stromleitschicht um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer ist als die Bandlücke jeder Teilschicht der Absorberschicht.
  • In der nachfolgenden Tabelle sind Ausführungsbeispiele des Superstrats und der Photovoltaik-Halbleiterschichten angegeben. Die Dotierungstypen sind jeweils mit dem Vorsatz n- (n-Dotierung) oder p- (p-Dotierung) gekennzeichnet. Weiterhin sind die Dotierkonzentration und die Dicke der Schicht angegeben. Weiterhin ist mittels „[Absorberschicht]“ angegeben, welche Schicht bei der jeweiligen Konfiguration wesentlich zur Absorption beiträgt und somit als Absorberschicht (oder Teil einer mehrteiligen Absorberschicht) bezeichnet wird:
    Schicht Ausführungsbsp. Abwandlung 1 Abwandlung 2
    Superstrat n-GaAs n-GaAs n-InP
    Pufferschicht n-AlGalnAsP 1) n-AlGalnAsP 1) -
    FSF Ga0.21In0.79P n-2×1018 cm-3 100 nm Ga0.21In0.79P n-2×1018 cm-3 100 nm InP n-2×1018 cm-3 200 nm
    Emitter Ga0.71In0.29As n-1×1018 cm-3 150 nm [Absorberschicht] Ga0.71In0.29As n-1×1017 cm-3 1500 nm [Absorberschicht] Ga0.47In0.53As n-1x1018 cm-3 150 nm [Absorberschicht]
    Basis Ga0.71In0.29As p-1×1017 cm-3 2500 nm [Absorberschicht] Al0.3Ga0.41In0.29As p-1×1018 cm-3 200 nm Ga0.47In0.53As p-8×1016 cm-3 3300 nm [Absorberschicht]
    BSF Al0.3Ga0.41In0.29As p-2×1018 cm-3 50 nm Al0.6Ga0.11ln0.29As p-2×1018 cm-3 50 nm p-InP p-1×1018 cm-3 50 nm
    Kontaktschicht Al0.1Ga0.61In0.29AS p-6×1018 cm-3 300 nm Al0.3Ga0.41In0.29As p-6×1018 cm-3 300 nm p-InP p>2×1018 cm-3 300 nm
    1) Die Pufferschicht AIGalnAsP ist als metamorphe Pufferschicht ausgebildet, mit steigendem In-Gehalt von 0.49-0.83 ausgehend von dem Superstrat.
  • Die Photovoltaik-Halbleiterschichten werden bevorzugt mittels Epitaxie aufgebracht, insbesondere bevorzugt mittels CVD (chemical vapor deposition). Hierdurch kann auf an sich im Handel erhältliche Apparaturen zur Durchführung solcher Prozesse zurückgegriffen werden.
  • Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), insbesondere der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metal organic chemical vapor phase epitaxy, MOVPE) zum Aufbringen der Photovoltaik-Halbleiterschichten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Aufbringen aller oder eines Teils der Photovoltaik-Halbleiterschichten mittels einer der Verfahren Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE), VPE (vapor phase epitaxy) oder HVPE (hydride vapor phase epitaxy).
  • Vorteilhafterweise wird auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats bei der epitaktischen Abscheidung zunächst eine geeignete Nukleationsschicht abgeschieden. Dies ist insbesondere im Falle der Heteroepitaxie vorteilhaft falls die epitaxierten Schichten aus einem verschiedenen Material als das Halbleitersubstrat aufweisen, wie beispielsweise im Falle von einer GaP Abscheidung auf einem Si Substrat.
  • Die zuvor und nachfolgend genannten Werte für Bandlückendifferenzen zwischen Stromleitschicht und Absorberschicht sowie die Werte für die Bandlücke eines Halbleiters, insbesondere der Stromleitschicht, beziehen sich auf normierte Umgebungsbedingungen mit einer Temperatur von 25°C. Die Bandlücke eines Halbleiters ist von der Temperatur des Halbleiters abhängig, so dass insbesondere bei Verwendung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzelle unter Betriebsbedingungen mit anderer Temperatur andere Bandlückenwerte vorliegen. Abhängigkeit der Bandlücke von der Temperatur des Halbleiters ist in Vurgaftman, J. R. Meyer, and L. R. Ram-Mohan, „Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys,“ J. Appl. Phys. 89, 5815 (2001) beschrieben.
  • Bei Verwendung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzellen können Betriebstemperaturen vorliegen, die deutlich über den vorgenannten normierten Umgebungsbedingungen liegen.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 2 und 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzelle;
    • 4 Ausführungsbeispiele für metallische Vorderseitenkontaktierungsstrukturen von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Photovoltaikzellen
    • 5 Teilansichten von Schichtstrukturen an der Rückseite weiterer Ausführungsbeispiele mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Photovoltaikzellen und
    • 6 schematische Ansichten der Anordnung von Kontaktierungspunkten der Darstellungen gemäß 5.
  • Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
  • In 1 sind schematisch Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie dargestellt.
  • In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats 1. Das Superstrat 1 ist vorliegend als Indiumphosphit-Substrat (InP) mit einer Bandlücke von 1,35 eV ausgebildet. Dies ist in Teilbild a) dargestellt.
  • In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 zur Ausbildung zumindest einer Photovoltaikzelle mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zumindest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen. Dies ist in Teilbild b) dargestellt.
  • Die Rückseite des Superstrats ist die bei Anwendung der Photovoltaiksolarzelle der Strahlungsquelle abgewandte Seite und entsprechend in den Figuren untenliegend dargestellt. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, während der Herstellung das Superstrat mit obenliegender Rückseite zu verwenden, sodass zur Vereinfachung der Prozessschritte die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten von oben auf das Superstrat aufgebracht werden.
  • Das Superstrat ist als Stromleitschicht ausgebildet und weist vorliegend eine Dotierung des n-Typs mit dem Dotierstoff Si und einer Dotierkonzentration von 1×1017 cm-3 auf. Die Dicke des Superstrats beträgt vorliegend 20 µm. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Stromleitschicht eine p-Dotierung mit dem Dotierstoff Zn auf.
  • Die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 sind elektrisch leitend mit der Stromleitschicht, d. h. dem Superstrat 1, verbunden ausgebildet, sodass an einer Vorderseite des Superstrats 1 Ladungsträger von der Photovoltaikzelle abgeführt werden können.
  • Die Absorberschicht der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten ist aus einem direkten Halbleiter ausgebildet, vorliegend als InGaAs-Schicht mit einer Bandlücke von 0,74 eV. Die Bandlücke der Stromleitschicht ist somit um zumindest 50 meV vorliegend um 0,61 eV größer als die Bandlücke der Absorberschicht.
  • Die in 1b) schematisch dargestellte Struktur kann bereits als Photovoltaikzelle verwendet werden, wobei vorteilhafterweise an Vorder- und Rückseite zusätzlich metallische Kontaktierungsstrukturen zum Abführen der Ladungsträger angeordnet werden, wie weiter unten näher erläutert.
  • Superstrat 1 und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 sind monolithisch ausgebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten epitaktisch auf das Superstrat 1 aufgebracht.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet, wobei in einem Verfahrensschritt C Trenngräben 3 erzeugt werden, welche die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten, jedoch nicht das Superstrat 1 durchdringen. Das Ausbilden der Trenngräben 3 erfolgt bevorzugt mittels Ätzen, vorliegend mittels nasschemischem Ätzen. Dieser Zustand nach Ausbilden der Trenngräben ist in Teilbild c) der 1 dargestellt.
  • In einem anschließenden Verfahrensschritt D erfolgt ein Zerteilen des Superstrats 1, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln. Hierbei wird das Zerteilen des Superstrats 1 beginnend von der dem Superstrat abgewandten Seite des Superstrats.
  • In dieser Abwandlung des Ausführungsbeispiels können somit eine Mehrzahl von Photovoltaikzellen kostengünstig hergestellt werden, wobei jede vereinzelte Photovoltaikzelle an der Vorderseite ein Teilstück des Superstrats 1 aufweist.
  • In 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzelle gezeigt, mit Superstrat 1 und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2.
  • Durch das Sonnensymbol ist (wie auch in 3) schematisch die Strahlungsquelle dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von Photovoltaikzellen zur Verwendung als Solarzelle zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Insbesondere ist das Verfahren jedoch geeignet, Photovoltaikzellen zur Verwendung in einem Übertragungssystem zur Energie und/oder Signalübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung auszubilden. Ein solches Übertragungssystem weist eine Strahlungsquelle, insbesondere eine schmalbandige Strahlungsquelle wie eine Diode oder einen Laser auf, deren Strahlung von der Photovoltaikzelle in elektrische Energie bzw. ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
  • Wie in 2 dargestellt, erfolgt die Kontaktierung typischerweise an der Vorderseite des Superstrats 1 und an der Rückseite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2, wobei gegebenenfalls an Vorder- und/oder an Rückseite zusätzliche Kontaktierungsschichten und/oder Kontaktierungselemente angeordnet werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels wird zwischen Superstrat 1 und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine metamorphe Pufferstruktur zur graduellen Anpassung der Gitterkonstante ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen Superstrat 1 und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine Tunneldiodenschichtstruktur angeordnet. Ein Beispiel für eine solche Tunneldiodenschichtstruktur ist eine Schichtfolge von sehr hochdotierten Halbleitern die einen p-n Übergang bilden wie zum Beispiel : 30 nm p++ Al0.3Ga0.7As (Dotierung: 1*1019 cm-3) und 30 nm n-- GaAs p++ Al0.3Ga0.7As (Dotierung: 1*1019 cm-3). Ein solches Beispiel einer Tunneldiodenschichtstruktur ist in Wheeldon et al PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19:442-452, Published online 18 November 2010 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/pip.1056 beschrieben.
  • Wie zuvor beschrieben, wird vorteilhaftweise an einer Vorderseite des Superstrats 1 eine metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur 4 ausgebildet, welche mittelbar oder unmittelbar an der Vorderseite des Superstrats 1 angeordnet und mit dem Superstrat 1 elektrisch leitend verbunden wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass an der Rückseite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine Rückseitenstruktur 5 angeordnet wird.
  • Die Rückseitenstruktur 5 umfasst vorteilhafterweise eine metallische Rückseitenkontaktierungsstruktur, zum Abführen von Ladungsträgern an der Rückseite der Photovoltaikzelle. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt.
  • Wie eingangs beschrieben, kann aufgrund der Ausbildung des Superstrats 1 als Stromleitschicht gegenüber vorbekannten Photovoltaikzellen eine Verringerung des Bedeckungsgrads der Vorderseite des Superstrats 1 durch die Vorderseitenkontaktierungsstruktur 4 erfolgen. In 4 sind Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele von metallischen Vorderseitenkontaktierungsstrukturen 4 dargestellt.
  • Die gezeigten Ausführungsbeispiele b, c, d, e und g weisen jeweils einen durch eine dicke schwarze Linie umlaufenden Busbar auf. Bei Verwendung der Photovoltaikzelle in einem Übertragungssystem ist das Übertragungssystem derart ausgebildet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle im Wesentlichen innerhalb des durch den Busbar umlaufend abgegrenzten Bereichs auftrifft, sodass keine oder nur eine geringfügige Abschattung der Strahlung durch den Busbar erfolgt. Der Busbar definiert somit einen Empfangsbereich zum Empfang einfallender elektromagnetischer Strahlung. Innerhalb des Empfangsbereichs kann keine metallische Kontaktierungsstruktur wie in Ausführungsbeispiel e angeordnet sein oder es sind gegenüber dem Busbar erheblich dünnere Kontaktierungsfinger angeordnet, wie in den Ausführungsbeispielen b, c, d und g. Hierdurch ergibt sich ein geringer Bedeckungsgrad der Vorderseitenkontaktierungsstruktur im Empfangsbereich.
  • Im Ausführungsbeispiel f weist die Vorderseitenkontaktierungsstruktur lediglich zwei an gegenüberliegenden Ecken ausgebildete metallische Kontaktierungsflächen (Kontaktierungspads) auf, welche durch eine dünne, umlaufende quadratische Metallisierung verbunden sind. In Ausführungsbespiel a) ist eine einfache, an sich bekannte Ausgestaltung mit zwei gegenüberliegenden Busbars gezeigt, zwischen denen mehrere, parallel liegende metallische Kontaktierungsfinger angeordnet sind, die senkrecht zu Busbars stehen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der in 3 gezeigten Photovoltaikzelle weist die Rückseitenkontaktstruktur 5 eine Spiegelstruktur zur zumindest teilweisen Reflexion der elektromagnetischen Strahlung auf. Die Spiegelstruktur ist somit an der dem Superstrat 1 abgewandten Rückseite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten angeordnet.
  • In einer einfachen Ausgestaltung besteht die Rückseitenkontaktstruktur 5 aus einer Metallschicht, insbesondere aus einem der Materialien Ag, Au.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Rückseitenstruktur 5 mit einer Metallschicht und einer zwischen Metallschicht und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 angeordneten Kontakt- und Spiegelschicht ausgebildet. Die Kontakt- und Spiegelschicht ist bevorzugt als transparentes, leitfähiges Oxid (TCO) ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Rückseitenstruktur 5 mit einer Metallschicht und einer zwischen Metallschicht und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 angeordneten dielektrischen Zwischenschicht („Spacer“) ausgebildet. Die dielektrische Zwischenschicht ist bevorzugt aus einer der nachfolgenden Materialkombinationen MgF2, AlOx, ITO, TiOx, TaOx, ZrO, SiN, SiOx, PU ausgebildet. Um eine elektrische Verbindung zwischen Metallschicht und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 auszubilden, ist die dielektrische Zwischenschicht bevorzugt strukturiert, in dem an einer Mehrzahl von Punkten die dielektrische Zwischenschicht von Metallverbindungen durchdrungen ist, welche jeweils einerseits mit der Metallschicht und andererseits mit den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend verbunden sind.
  • Dies ist schematisch in 5a) dargestellt: die Rückseitenstruktur 5 weist eine Metallschicht 5a auf und an der den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zugewandten Seite der Metallschicht 5a ist eine dialektische Zwischenschicht 5b vorliegend eine Siliziumoxidschicht angeordnet. Die Siliziumoxidschicht ist elektrisch nicht leitend und wird daher von einer Mehrzahl von Metallverbindern 5c durchdrungen, um die Metallschicht 5a elektrisch leitend mit den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 zu verbinden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung einer solchen Rückseitenstruktur 5 ist in 5b dargestellt:
    • Zwischen der dielektrischen Zwischenschicht 5b und der Metallschicht 5a ist eine leitfähige Spiegelschicht 5d angeordnet, welche ebenfalls von den Metallverbindern 5c durchdrungen ist. Die Metallschicht 5a ist aus Silber oder in einer alternativen Ausgestaltung aus Gold ausgebildet. Hierdurch wird eine hohe optische Reflexion erzielt. Um eine Kontaktierung der Halbleiterschichten mit einem geringen Kontaktwiderstand zu erzielten, sind die Metallverbinder aus einem anderen Metall ausgebildet, als die Spiegelschicht. Vorliegend sind die Metallverbinder aus einer Kombination aus Palladium, Zink und Gold ausgebildet.
  • In eine Abwandlung des in 5b) gezeigten Ausführungsbeispiels wird die Zwischenschicht 5b weggelassen, sodass die Rückseitenstruktur 5 nur die Metallschicht 5a und die Spiegelschicht 5d, welche von den Metallverbindern 5c durchdrungen ist, aufweist.
  • In 6 ist eine Draufsicht auf die Rückseite der Rückseitenstrukturen 5 gemäß 5 gezeigt. Die Positionen, an denen die Metallverbinder 5c auf die Metallschicht 5a auftreffen, sind durch Punkte markiert.
  • In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6a) sind die Metallverbinder 5c regelmäßig auf den Kreuzpunkten eines quadratischen Gitters angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6b) sind die Metallverbinder 5c hexagonal angeordnet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Superstrat
    2
    Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten
    3
    Trenngraben
    4
    Vorderseitenkontaktierungsstruktur
    5
    Rückseitenstruktur
    5a
    Metallschicht
    5b
    Zwischenschicht
    5c
    Metallverbinder
    5d
    Spiegelschicht

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie, mit den Verfahrensschritten A. Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats; B. Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zur Ausbildung zumindest einer Photovoltaikzelle mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zumindest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen; wobei das Superstrat als Stromleitschicht ausgebildet ist mit einer Dicke größer 10 µm und in Verfahrensschritt B die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend mit der Stromleitschicht verbunden ausgebildet werden und wobei die Bandlücke der Stromleitschicht um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitschicht und die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten monolithisch ausgebildet werden.
  3. Übertragungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Superstrat eine Bandlücke aufweist, welche größer, insbesondere um 10 meV bis 500 meV, insbesondere um 50 meV bis 500 meV, größer ist als eine vorgegebene dominante Photonenenergie und dass die Absorberschicht mit einer Bandlücke ausgebildet wird, welche kleiner, insbesondere um 1 meV bis 150 meV, bevorzugt um 10 meV bis 80 meV kleiner ist als die dominante Photonenenergie.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Vorderseite des Superstrats eine metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur ausgebildet wird, welche mittelbar oder unmittelbar an der Vorderseite des Superstrats angeordnet und mit dem Superstrat elektrisch leitend verbunden wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Superstrat einen Empfangsbereich zum Empfang einfallender elektromagnetischer Strahlung aufweist und dass der Bedeckungsgrad der Vorderseitenkontaktierungsstruktur im Empfangsbereich kleiner 5%, insbesondere kleiner 3%, bevorzugt kleiner 1%, weiter bevorzugt kleiner 0,2% ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsbereich eine Kreisfläche mit einem Durchmesser im Bereich 0,1 mm bis 10 mm überdeckend ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Superstrat abgewandten Rückseite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten mittelbar oder unmittelbar eine Spiegelstruktur zur zumindest teilweisen Reflektion der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, wobei die Spiegelstruktur elektrisch leitend ausgebildet wird, insbesondere, dass die Spiegelstruktur mit einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe - Metallschicht, insbesondere Silberschicht oder Goldschicht; - dielektrische Schichtstruktur mit zumindest einer dielektrischen Schicht und zumindest einer Metallschicht; - Bragg-Spiegel; ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Superstrat und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten eine metamorphe Pufferstruktur zur graduellen Anpassung der Gitterkonstante ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Superstrat und photovoltaischer Schichtstruktur eine Tunneldiodenschichtstruktur angeordnet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Superstrat bereitgestellt wird, welches aus zumindest einem der Materialien oder Materialkombinationen der Gruppe GaAs, InP, GaSb, Si, Ge, GaP, InAs, AlAs, AlP, InSb, AlSb ausgebildet ist.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet ist, wobei nach Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt D ein Zerteilen des Superstrats erfolgt, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln und bevorzugt zwischen Verfahrensschritt B und Verfahrensschritt D in einem Verfahrensschritt C Trenngräben erzeugt werden, welche die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten, jedoch nicht das Superstrat durchdringen, um eine Mehrzahl durch die Trenngräben separierter Photovoltaikzellen auszubilden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Superstrats beginnend von der den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten abgewandten Seite des Superstrats erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche 11 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Superstrats über ein Trennverfahren auf Basis von laserinduziertem Kristallbruch erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verfahrensschritt B und Verfahrensschritt D keine Trenngräben ausgebildet werden, insbesondere, dass Verfahrensschritt D unmittelbar auf Verfahrensschritt B folgt.
  15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Halbleiterschichtstruktur als gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ausgebildet ist.
  16. Verwendung einer Photovoltaikzelle, hergestellt nach einem der vorangehenden Ansprüche, in einem Übertragungssystem zur Energie und/oder Signalübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung mit zumindest einer Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und einer Photovoltaikzelle zur Wandlung von einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.
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