DE112005002592T5

DE112005002592T5 - Rückseitenkontakt-Photovoltaikzellen

Info

Publication number: DE112005002592T5
Application number: DE112005002592T
Authority: DE
Inventors: David E. Carlson
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-09-06
Also published as: WO2006135443A2; US20060130891A1; WO2006135443A3; JP2008519438A

Abstract

Photovoltaikzelle, umfassend
einen Wafer, umfassend ein Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei der Wafer eine erste Licht empfangende Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, umfasst;
eine erste Passivierungsschicht, die über der ersten Oberfläche des Wafers angeordnet ist;
einen ersten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist;
einen zweiten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist und elektrisch von dem ersten elektrischen Kontakt getrennt ist;
eine zweite Passivierungsschicht, die über der zweiten Oberfläche des Wafers in dem Bereich auf dem Wafer angeordnet ist, der mindestens zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der zweiten Oberfläche des Wafers ist; und
eine Schicht, umfassend ein Halbleitermaterial von einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zur Leitfähigkeit des Wafers ist, und die in dem Bereich zwischen der zweiten Passivierungsschicht und dem ersten Kontakt angeordnet ist.

Description

Die Anmeldung stützt sich auf die US-Provisional Patentanmeldung Aktenzeichen 60/623452, eingereicht am 29. Oktober 2004.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft neue Photoelemente. Insbesondere betrifft die Erfindung Photovoltaikzellen, die hochwirksam sind bei der Umwandlung von Lichtenergie und insbesondere Sonnenenergie in elektrische Energie, wobei solche Zellen elektrische Kontakte auf der Rückseitenoberfläche aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Zellen.
Eines der wichtigsten Merkmale einer Photovoltaikzelle ist der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Lichtenergie aus der Sonne in elektrische Energie. Ein anderes wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, eine solche Zelle in einer Weise herzustellen, die für Herstellungsverfahren im großen Maßstab anwendbar ist. Somit strebt die Technik nicht nur kontinuierlich nach der Verbesserung des Wirkungsgrads von Photovoltaikzellen bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie, sondern auch nach deren Herstellung unter Verwendung sicherer, umweltverträglicher, großtechnischer Herstellungsverfahren.
Obwohl Photovoltaikzellen aus einer Vielfalt von Halbleitermaterialien hergestellt werden können, wird im allgemeinen Silicium verwendet, da es bei vernünftigen Kosten leicht verfügbar ist und da es die richtige Ausgewogenheit an elektrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften zur Verwendung bei der Herstellung von Photovoltaikzellen aufweist. Bei einem typischen Verfahren zur Herstellung von Photovoltaikzellen unter Verwendung von Silicium als ausgewähltem Halbleitermaterial wird das Silicium mit einem Dotiermittel von entweder positivem oder negativem Leitfähigkeitstyp dotiert, zu Blöcken (Ingots) von monokristallinem Silicium geformt oder in Blöcke oder "Ziegel" von etwas was die Technik als multikristallines Silicium bezeichnet gegossen und diese Ingots oder Blöcke durch verschiedene, in der Technik bekannte Schneid- oder Sägeverfahren zu dünnen Substraten, auch als Wafer bezeichnet, geschnitten. Dies sind aber nicht die einzigen Verfahren, die zur Erzielung geeigneter Halbleiterwafer zur Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet werden.
Gemäß der Konvention wird der positive Leitfähigkeitstyp gewöhnlich als "p" oder "p-Typ" bezeichnet und der negative Leitfähigkeitstyp als "n" oder "n-Typ". Daher sind "p" und "n" entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen.
Die Oberfläche des Wafers, die einfallendes Licht gegenüberstehen soll, wenn der Wafer zu einer Photovoltaikzelle gebildet wird, wird hier als Vorderseite oder Stirnfläche bezeichnet und die Oberfläche des Wafers gegenüber der Vorderseite wird hier als Rückseite oder Rückseitenfläche bezeichnet.
In einem typischen und allgemeinen Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikzelle z.B. unter Verwendung eines p-Typ-Siliciumwafers wird der Wafer einem geeigneten n-Dotiermittel ausgesetzt, um eine Emitterschicht und einen pn-Übergang auf der Vorderseite oder Lichtempfangsseite des Wafers zu bilden. Typischerweise wird die n-Typ-Schicht oder Emitterschicht gebildet, indem zuerst das n-Dotiermittel auf der Vorderseitenfläche des p-Typ-Wafers unter Verwendung von Techniken abgeschieden wird, die in der Technik allgemein verwendet werden, wie chemische oder physikalische Abscheidung, und nach einer solchen Abscheidung wird das n-Dotiermittel, z.B. Phosphor, in die Vorderseitenfläche des Siliciumwafers getrieben, um das n-Dotiermittel in der Waferoberfläche weiter auszubreiten. Dieser „drive-in"-Schritt wird gewöhnlich bewerkstelligt, indem der Wafer hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Ein pn-Übergang wird dadurch am Grenzbereich zwischen der n-Typ-Schicht und dem p-Typ-Silicium-Wafersubstrat gebildet. Die Wafer-Oberfläche kann vor der Phosphor-Dotierung oder einer anderen Dotierung zur Bildung der Emitterschicht strukturiert werden.
Zur Ausnutzung des elektrischen Potentials, das erzeugt wird, indem der pn-Übergang Lichtenergie ausgesetzt wird, wird die Photovoltaikzelle typischerweise mit einem leitfähigen elektrischen Vorderseitenkontakt auf der Stirnfläche des Wafers und einem leitfähigen elektrischen Rückseitenkontakt auf der Rückseitenoberfläche des Wafers versehen. Diese Kontakte sind typischerweise aus einem oder mehreren elektrisch hochleitenden Metallen und daher typischerweise opak. Da der Vorderseitenkontakt auf der Seite der Photovoltaikzelle ist, die der Sonne oder einer anderen Quelle der Lichtenergie gegenüberliegt, ist es im allgemeinen zweckmäßig, dass der Vorderseitenkontakt die geringstmögliche Fläche der Stirnfläche der Zelle beansprucht und dennoch die elektrischen Ladungen einfängt, die durch das mit der Zelle wechselwirkende einfallende Licht erzeugt werden. Obwohl die Vorderseitenkontakte so angebracht werden, um den Anteil an Vorderseitenoberfläche der Zelle zu minimieren, der durch den Kontakt bedeckt oder beschattet wird, verringern Vorderseitenkontakte nichtsdestotrotz den Anteil an Oberfläche der Photovoltaikzelle, der ansonsten zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden könnte. Das vorstehend beschriebene Verfahren verwendet auch eine Reihe von Hochtemperatur-Verarbeitungsschritten, um die Photovoltaikzellen zu bilden. Die Verwendung hoher Temperaturen verlängert die erforderliche Zeit zur Herstellung von Photovoltaikzellen, verbraucht Energie und erfordert den Einsatz von teuren Hochtemperaturöfen oder anderen Anlagen zur Verarbeitung von Photovoltaikzellen bei hohen Temperaturen.
In der Technik besteht daher Bedarf nach Photovoltaikzellen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, unter Verwendung großtechnischer Herstellungsverfahren hergestellt werden können und vorzugsweise durch Verfahren, die keine Hochtemperatur-Verarbeitungsschritte einsetzen oder zumindest ein Minimum an Hochtemperatur-Verarbeitungsschritten verwenden und wobei die Zellen zur Steigerung des Wirkungsgrads keine elektrischen Kontakte auf der Vorderseite oder -oberfläche des Wafers aufweisen, wodurch die verfügbare Fläche der Stirnfläche der Zelle zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom maximiert wird. Die vorliegende Erfindung stellt eine solche Photovoltaikzelle bereit. Die Photovoltaikzellen der Erfindung können verwendet werden, um wirkungsvoll elektrische Energie zu erzeugen, indem die Photovoltaikzelle der Sonne ausgesetzt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist eine Photovoltaikzelle, umfassend einen Wafer, umfassend ein Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp und umfassend eine erste Lichtempfangsoberfläche, eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche auf dem Wafer und eine Diffusionslänge; eine erste Passivierungsschicht, die über der ersten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen ersten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen zweiten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist und elektrisch von dem ersten elektrischen Kontakt getrennt ist; eine zweite Passivierungsschicht, die über der zweiten Oberfläche des Wafers in dem Bereich angeordnet ist, der mindestens zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der zweiten Oberfläche des Wafers liegt; und eine Schicht, umfassend ein Halbleitermaterial von einer Leitfähigkeit, die der Leitfähigkeit des Wafers entgegengesetzt ist und in dem Bereich zwischen der zweiten Passivierungsschicht und dem ersten elektrischen Kontakt angeordnet ist.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Photovoltaikzelle bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer Photovoltaikzelle entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit Punktkontakten.
2 ist eine Draufsicht auf ein Teil der Photovoltaikzelle von 1.
3 ist eine dreidimensionale Ansicht von einem Teil einer Photovoltaikzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit Punktkontakten.
4 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Teils einer Photovoltaikzelle entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung mit Punktkontakten.
5 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer Photovoltaikzelle entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit Punktkontakten.
7 ist eine Draufsicht von einer Photovoltaikzelle entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung mit ineinander verschränkten Rückseitenkontakten.
8 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Teils der photovoltaischen Zelle von 7.
9 ist eine Draufsicht auf eine Photovoltaikzelle gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung mit ineinander verschränkten Rückseitenkontakten.
10 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Teils einer Photovoltaikzelle von 9.
11 ist eine dreidimensionale Ansicht von elektrischen Kontakten gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun unter Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung als Beispiel beschrieben, wobei eine Photovoltaikzelle unter Verwendung eines kristallinen Siliciumwafers vom p-Typ hergestellt ist. Es ist jedoch verständlich, dass die Erfindung dadurch nicht beschränkt ist und z.B. für andere Halb materialien anwendbar ist, wie z.B. einen kristallinen Siliciumwafer vom n-Typ. Außerdem ist es nicht notwendig, dass der Wafer kristallin ist. Er kann z.B. multikristallin, oder manchmal als polykristallin bezeichnet, sein.
Ein Siliciumwafer, der im Verfahren der Erfindung zur Herstellung von Photovoltaikzellen geeignet ist, liegt typischerweise in Form einer dünnen, flachen Gestalt vor. Das Silicium kann ein oder mehrere zusätzliche Materialien umfassen, wie ein oder mehrere Halbleitermaterialien, z.B. Germanium, falls gewünscht. Obwohl Bor weit verbreitet als das erste p-Typ-Dotiermittel verwendet wird, genügen auch andere p-Typ-Dotiermittel, z.B. Aluminium, Gallium oder Indium. Bor ist das bevorzugte Dotiermittel vom p-Typ. Kombinationen von solchen Dotiermitteln sind auch geeignet. Somit kann das erste Dotiermittel für einen p-Typ-Wafer z.B. ein oder mehrere von Bor, Aluminium, Gallium oder Indium umfassen und bevorzugt umfasst er Bor. Geeignete Wafer werden typischerweise durch Schneiden oder Sägen von p-Typ-Silicium-Ingots, wie Ingots von monokristallinem Silicium, erhalten, um monokristalline Wafer zu bilden, wie die sog. Czochralski-(Cz)-Siliciumwafer. Wenn ein n-Typ-Siliciumwafer verwendet wird, kann es sich bei den Dotiermitteln z.B. um ein oder mehrere von Phosphor, Arsen, Antimon oder Wismut handeln. Geeignete Wafer können auch durch Schneiden oder Sägen von Blöcken von gegossenem multikristallinem Silicium vom p-Typ hergestellt werden. Siliciumwafer können auch direkt aus geschmolzenem Silicium unter Verwendung von Verfahren wie der Edge-defined Film-fed Growth-Technik (EFG) oder ähnlicher Techniken gezogen werden. Obwohl die Wafer jede Gestalt aufweisen können, sind Wafer typischerweise von kreisförmiger, quadratischer oder pseudoquadratischer Form. Mit "pseudoquadratisch" ist ein Wafer mit überwiegend quadratischer Form gemeint, gewöhnlich mit abgerundeten Ecken. Die in den Photovoltaikzellen dieser Erfindung eingesetzten Wafer sind geeignet dünn. Zum Beispiel können für die Erfindung geeignete Wafer etwa 10 Mikron dick bis etwa 200 Mikron dick sein. Die in den Photovoltaikzellen der Erfindung eingesetzten Wafer haben vorzugsweise eine Diffusionslänge (L_p), die größer ist als die Waferdicke (t). Das Verhältnis von L_p zu t ist z.B. geeigneterweise größer als 1. Es kann z.B. größer als etwa 1,1 oder größer als etwa 2 sein. Die Diffusions länge ist der mittlere Abstand, den Minoritätsträger (wie Elektronen im p-Typ-Material) diffundieren können, bevor sie mit den Majoritätsträgern (Löchern im p-Typ-Material) rekombinieren. Die L_p steht in Beziehung zur Minoritätsträger-Lebensdauer τ über die Beziehung L_p = (Dτ)^1/2, worin D die Diffusionskonstante ist. Die Diffusionslänge kann durch eine Reihe von Techniken gemessen werden, wie die Technik des Photonenstrahl-induzierten Stroms oder der Oberflächen-Photospannungs-Technik. Siehe z.B. "Fundamentals of Solar Cells", von A. Fahrenbruch und R. Bube, Academic Press, 1983, S. 90–102, das hier für eine Beschreibung, wie die Diffusionslänge gemessen werden kann, durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Bei Kreisförmigkeit können die Wafer einen Durchmesser von etwa 100 bis etwa 180 mm, z.B. 102 bis 178 mm, aufweisen. Wenn sie quadratisch oder pseudoquadratisch sind, können sie eine Breite von etwa 100 mm bis etwa 150 mm mit abgerundeten Ecken mit einem Durchmesser von etwa 127 bis etwa 178 mm aufweisen. Die Wafer, die im Verfahren der Erfindung geeignet sind, und folglich die Photovoltaikzellen, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt sind, können z.B. eine Oberfläche von etwa 100 bis etwa 250 cm² aufweisen. Die Wafer, die mit dem ersten Dotiermittel dotiert sind, die für das Verfahren der Erfindung geeignet sind, können eine spezifischen Widerstand von etwa 0,1 bis etwa 20 Ohm cm, typischerweise etwa 0,5 bis etwa 5,0 Ohm cm, aufweisen. Obwohl der Ausdruck Wafer wie verwendet die Wafer beinhaltet, die durch die beschriebenen Verfahren, insbesondere durch Sägen oder Schneiden von Ingots oder Blöcken von Einkristall- oder multikristallinem Silicium, erhalten werden, ist verständlich, dass der Ausdruck Wafer auch irgendwelche anderen geeigneten Halbleitersubstrate oder Schichten beinhaltet, die zur Herstellung von Photovoltaikzellen durch das Verfahren der Erfindung geeignet sind.
Die Vorderseitenoberfläche des Wafers ist bevorzugt strukturiert. Die Strukturierung erhöht im allgemeinen den Wirkungsgrad der sich ergebenden Photovoltaikzelle durch Erhöhung der Lichtabsorption. Der Wafer kann z.B. durch chemisches Ätzen, Plasmaätzen, Laser- oder mechanisches Ritzen in geeigneter Weise texturiert werden. Wenn ein monokristalliner Wafer verwendet wird, kann der Wafer geätzt werden, um eine anisotrop strukturierte Oberfläche durch Behandeln des Wafers in einer wässrigen Lösung von einer Base, wie Natriumhydroxid, bei einer erhöhten Temperatur, z.B. etwa 70°C bis etwa 90°C für etwa 10 bis etwa 120 min zu bilden. Die wässrige Lösung kann einen Alkohol, wie Isopropanol, enthalten. Ein multikristalliner Wafer kann durch mechanisches Schnitzeln unter Verwendung abgeschrägter Dicing-Flügel oder Profilstrukturierungsräder strukturiert werden. In dem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird ein multikristalliner Wafer unter Verwendung einer Lösung von Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Wasser strukturiert. Ein solches Strukturierverfahren wird von Hauser, Melnyk, Fath, Narayanan, Roberts und Bruton in ihrem Artikel "A Simplified Process for Isotropic Texturing of MC-Si", Hauser et al., von der Konferenz "3^rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion", 11. bis 18. Mai, Osaka, Japan, beschrieben, der hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der strukturierte Wafer wird typischerweise anschließend gereinigt, z.B. durch Eintauchen in Flusssäure und dann Salzsäure mit zwischenzeitlichem und abschließendem Spülen mit entionisiertem Wasser, gefolgt von Trocknen.
Vor der Strukturierung eines Wafers, wie eines multikristallinen Wafers, kann der Wafer einem Phosphor- und Aluminium-Gettern unterworfen werden. Das Gettern kann z.B. durch Bilden einer stark n-dotierten Schicht durch z.B. Phosphordiffusion auf einer oder beiden Seiten des Wafers bewerkstelligt werden. Dies kann z.B. bewerkstelligt werden, indem der Wafer einem Gas, wie POCl₃, für 30 min bei 900 bis 1.000°C ausgesetzt wird. Ein solches Gettern erhöht die Diffusionslänge des Wafers. Nach Bildung der stark n-dotierten Schicht oder Schichten können sie z.B. durch Ätzen unter Verwendung von Säuren, wie Flusssäure (HF) und Salpetersäure (HNO₃) oder einer Mischung davon, oder starken Basen, wie Natriumhydroxid (NaOH), entfernt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Bilden einer stark n-dotierten Schicht auf der Vorderseite des Wafers, um Verunreinigungen zu gettern, und dann anschließend das Entfernen davon während des Strukturätzens der Vorderseitenfläche, wie vorstehend beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Passivierungsschicht, vorzugsweise eine, die auch als Antireflexionsschicht funktioniert, auf der Vorderseitenfläche des Wafers gebildet. Wenn der Wafer strukturiert ist, wird eine solche Schicht bevorzugt nach dieser Strukturierung hinzugefügt. Bei dieser ersten Passivierungsschicht kann es sich z.B. um eine Schicht von einem Dielektrikum, wie Siliciumdioxid, Siliciumoxynitrid oder Siliciumnitrid, handeln, die durch in der Technik bekannte Verfahren gebildet werden kann, wie z.B. durch Plasma gestütztes chemisches Aufdampfen (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition), chemisches Aufdampfen bei geringem Druck (LPCVD, low pressure chemical vapor deposition), thermische Oxidation, Siebdruck von Pasten, Druckfarben oder Sol-Gel, usw. Kombinationen von zwei oder mehr solcher Schichten können auch verwendet werden, um die erste Passivierungsschicht zu bilden, wie eine Schicht, von Silicumnitrid und eine Schicht von Siliciumdioxid. Wenn mehr als eine Schicht verwendet wird, ist zumindest eine der Schichten vorzugsweise eine Antireflexschicht, z.B. umfassend Siliciumnitrid. Eine solche Antireflexschicht wird bevorzugt direkt auf die Siliciumwafer-Oberfläche hinzugegeben. Die erste Passivierungsschicht umfasst bevorzugt eine Schicht von Siliciumnitrid, die direkt auf der Oberfläche des Wafers gebildet wird. Jede solche Schicht, die als Antireflexschicht oder als erste Passivierungsschicht oder beides verwendet wird, oder die Gesamtheit aller solchen eingesetzten Schichten kann eine Dicke von bis zu etwa 120 nm, z.B. eine Dicke von etwa 70 bis etwa 100 nm, ausmachen. Das Siliciumnitrid kann z.B. durch PECVD oder durch LPCVD gebildet werden. Ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen von Siliciumnitrid durch LPCVD ist das Aussetzen des Wafers einer Atmosphäre von einer Siliciumverbindung, wie Dichlorsilan, und Ammoniak bei einer erhöhten Temperatur von etwa 750°C bis etwa 850°C. Siliciumnitrid kann auch bei niedrigeren Temperaturen von etwa 200°C bis etwa 450°C unter Verwendung von PECVD in einer Atmosphäre von Silan und Ammoniak abgeschieden werden.
Eine geeignete erste Passivierungsschicht kann auch eine Schicht von hydriertem amorphem Silicium (a-Si:H), eine Schicht von hydriertem mikrokristallinem Silicium oder eine Mischung von a-Si:H und hydriertem mikrokristallinem Silicium umfassen und, wenn eine solche Schicht abgeschieden oder in anderer Weise gebildet wird, so geschieht dies insbesondere direkt auf dem Wafer. Eine solche Schicht umfasst bevorzugt zusätzlich zu Silicium Stickstoff. Eine solche Schicht kann auch Bor mit oder ohne Stickstoff umfassen. In einigen Fällen kann es bevorzugt sein, dass eine solche Schicht andere Dotiermittel, wie Phosphor, umfasst oder mit anderen Elementen, wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, legiert ist. Wenn Stickstoff in der ersten Passivierungsschicht umfassend a-Si:H, hydriertes mikrokristallines Silicium oder Mischungen davon enthalten ist, kann die Menge oder Konzentration an Stickstoff abgestuft sein, so dass die Menge an Stickstoff in der Schicht am nächsten zum Wafer bei einem Minimum ist, z.B. kein Stickstoff und eine Konzentration erreicht, so dass die Schicht am weitesten entfernt von der Grenzfläche mit dem Wafer zu Siliciumnitrid wird. Ammoniak oder eine Mischung von Wasserstoff und Stickstoffgas können als geeignete Quellen von Stickstoff verwendet werden. Wenn Bor oder Phosphor verwendet werden, können die Bor- oder Phosphorkonzentration in der gleichen Weise abgestuft sein, wobei kein Bor oder Phosphor neben dem oder am nächsten zum Wafer vorliegt und ein Maximum der Bor- oder Phosphorkonzentration bis zu etwa 1 Atom-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Silicium und, falls vorhanden, Stickstoff in der Schicht, erreicht wird. Wenn eine solche Schicht umfassend a-Si:H, hydriertes mikrokristallines Silicium oder Mischungen davon aufgebracht wird, mit oder ohne Stickstoff und mit oder ohne ein Dotiermittel, wie Bor oder Phosphor, kann sie eine Dicke von bis zu etwa 40 nm aufweisen. Sie kann z.B. etwa 4 bis etwa 30 nm dick sein. Eine solche a-Si:H Schicht kann durch jedes geeignete Verfahren aufgebracht werden, wie z.B. durch PECVD in einer Silan-Atmosphäre. Am geeignetsten wird sie durch PECVD in einer Atmosphäre enthaltend etwa 10% Silan in Wasserstoff aufgebracht und am meisten geeignet wird sie bei niedrigen Temperaturen, wie z.B. etwa 100°C bis etwa 250°C, aufgebracht. Ohne sich durch eine Theorie der Wirkungsweise binden zu wollen, kann die erste Passivierungsschicht dahingehend wirken, dass die Waferoberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeit auf < 100 cm/s verringert wird (eine niedrige Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit (< 100 cm/s) weist auf eine geringe Dichte an Fehlstellenzuständen an der Oberfläche hin). Die erste Passivierungsschicht kann auch feste Ladungen enthalten, wie sie gewöhnlich in Siliciumnitrid-Schichten gefunden werden, dessen elektrisches Feld eine Bandverbiegung in dem Bereich des Halbleiter-Wafers nahe der Waferoberfläche induziert. Da die feste Ladung in Siliciumnitrid gewöhnlich positiv ist, kann diese Bandverbiegung bewirken, dass Minoritätsträger von dem Waferoberflächenbereich abgestoßen werden, und kann somit auch die Oberflächen-Rekombination verringern, wenn der Wafer vom n-Typ ist. Wenn der Wafer vom p-Typ ist, kann die positive Ladung dahingehend wirken, dass eine Akkumulationsschicht erzeugt wird, und die Oberflächenrekombination kann immer noch niedrig sein, wenn die Dichte der Fehlstellen auf der Oberfläche niedrig ist. Daher kann jedes Material, das eine solche Funktion liefern kann und auf den Siliciumwafer aufgebracht werden kann, eine geeignete erste Passivierungsschicht sein. Eine solche Schicht wie vorstehend beschrieben kann eine Mehrzahl von Schichten umfassen, wobei ein Teil von diesen Schichten oder alle diese Schichten aus unterschiedlichen Materialien sind, die z.B. aus den vorstehend beschriebenen Materialien ausgewählt sind.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Passivierungsschicht eine Schicht von a-Si:H oder hydriertem mikrokristallinem Silicium oder einer Kombination davon, abgeschieden auf der ersten Oberfläche des Wafers, wobei diese Schicht die Struktur oder Formulierung wie gerade beschrieben aufweisen kann, gefolgt von mindestens einer Schicht von Siliciumnitrid, die als Antireflexschicht wirkt. Die Dicke des Siliciumnitrids kann bis zu etwa 120 nm, z.B. etwa 70 bis etwa 100 nm, betragen. Die Antireflexbedingung kann durch Verwendung von zwei Schichten mit geeigneten Dicken verbessert werden. So ist z.B. die Passivierungsschicht eine Schicht aus a-Si:H mit oder ohne Stickstoff und mit oder ohne Bor oder Phosphor, wie vorstehend beschrieben, direkt auf der ersten Oberfläche des Wafers angeordnet, gefolgt von einer Schicht von Siliciumnitrid, direkt auf einer solchen a-Si:H-Schicht angeordnet und gegebenenfalls gefolgt von einer anderen Hilfsschicht, wie z.B. umfassend Tantaloxid, Siliciumdioxid, Magnesiumfluorid oder Titanoxid, wobei die Dicken der Siliciumnitrid- und der Hilfsschicht ausgewählt werden, um die Antireflexbedingung zu optimieren. Die Siliciumnitrid-Schicht kann z.B. eine Dicke von etwa 70 nm bis etwa 100 nm aufweisen und die Hilfsschicht, z.B. Magnesiumfluorid, kann eine Dicke von etwa 130 nm bis etwa 200 nm aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform kann die Siliciumnitrid-Schicht sowohl als die Passivierungsschicht als auch als die Antireflexschicht auf der ersten Oberfläche des Wafers mit einer Dicke von bis zu etwa 120 nm, z.B. etwa 70 bis etwa 100 nm wirken. Das Siliciumnitrid kann durch PECVD in Silan und Ammoniak bei einer Abscheidungstemperatur von etwa 400°C abgeschieden werden.
In einer anderen Ausführungsform ist der Stickstoffgehalt einer solchen Siliciumnitrid-Schicht abgestuft. Z.B. kann der Stickstoffgehalt von 0 in dem Teil der Siliciumnitrid-Schicht, die am nächsten zur Oberfläche des Siliciumwafers ist, bis etwa der in Si₃N₄ gefundenen Konzentration über eine Dicke von bis zu etwa 10 nm steigen und dann über der verbleibenden Dicke der Schicht, z.B. etwa weitere 70 nm, konstant bleiben.
Während des Schritts der Abscheidung einer Passivierungsschicht auf der Vorderseitenoberfläche des Wafers ist es bevorzugt, die Schicht oder die Schichten in einer Weise aufzubringen, die verhindert, dass diese Schicht oder diese Schichten sich auf der Rückseitenoberfläche des Wafers bilden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem z.B. die Rückseitenoberfläche maskiert wird oder die Rückseitenoberfläche in engem Kontakt mit einem Substratträger angeordnet wird. Nichtsdestotrotz kann die Rückseitenfläche des Wafers auch eine Schicht von einer solchen Beschichtung aufnehmen, welche die ganze Rückseitenoberfläche oder einen Teil davon bedeckt. Diese Schicht auf der Rückseitenoberfläche kann später z.B. durch Säureätzen unter Verwendung von einer Säure, wie Salpeter- oder Flusssäure oder Mischungen davon, oder durch Ätzen mit einer wässrigen Lösung von einer starken Base, wie Natriumhydroxid, entfernt werden.
Die Rückseiten- oder zweite Oberfläche des Wafers in den Photovoltaikzellen der Erfindung umfasst zwei elektrische Kontakte, die vorzugsweise jeweils ein oder mehrere Metalle, wie Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Zinn usw., umfassen, einen für jede Polarität des durch die Zelle erzeugten elektrischen Stroms. Obwohl jeder solche Kontakt einer gegebenen Polarität einen oder mehrere Abschnitte umfassen kann, die auf der Oberfläche des Wafers elektrisch getrennt sind, ist jeder Abschnitt der gleichen elektrischen Polarität bevorzugt an einem Punkt elektrisch verbunden, so dass ein maximaler Strom aus der Photovoltaikzelle erzeugt werden kann. Diese elektrischen Kontakte können in Form von Streifen vorliegen, wobei z.B. die Streifen von einem Kontakt in Abständen zwischen Streifen, die den anderen Kontakt bilden, zwischengeschaltet sind, was ein zwischengeschaltetes oder ineinander verschränktes Muster ergibt. Die elektrische Trennung zwischen den beiden Kontakten sollte klein sein und die Breite jedes Kontakts, z.B. die Breite jedes Streifens, sollte auch klein sein. Diese elektrischen Kontakte können eine Breite von bis zu etwa 100 Mikron, z.B. etwa 20 bis etwa 80 Mikron, aufweisen. Der Abstand oder die Trennung zwischen den Kontakten, d.h. die Lücke zwischen dem elektrischen Kontakt von einer Polarität und dem elektrischen Kontakt der anderen Polarität, kann bis zu etwa 30 Mikron, z.B. etwa 5 bis etwa 20 Mikron, betragen. Der Abstand oder die Trennung der Kontakte, d.h. der Abstand zwischen dem Rand des ersten elektrischen Kontakts (des Emitterkontakts) und der Mitte des zweiten elektrischen Kontakts (des Basiskontakts) ist bevorzugt kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsträger. In einer anderen Ausführungsform kann einer der elektrischen Kontakte, der erste elektrische Kontakt, in Form einer ersten Kontaktschicht über der Rückseitenoberfläche der Photovoltaikzelle vorliegen und der andere kann in Form von Punktkontakten vorliegen, wobei die Punktkontakte sich von einer zweiten Schicht von elektrischen Kontaktmaterial erstrecken, das über der Rückseitenoberfläche der Photovoltaikzelle angeordnet ist und sich durch eine Isolierschicht zwischen der ersten und zweiten elektrischen Kontaktschicht erstreckt. Obwohl ein elektrischer Kontakt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird, verschiedene Schichten umfassen kann oder Punkt kontakte umfassen kann, umfasst mindestens ein Teil des Kontakts vorzugsweise ein leitfähiges Metall, wie eines oder mehrere von Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Zinn und dgl. Die Metallschichten, welche die elektrischen Kontakte in den Photovoltaikzellen der Erfindung bilden, können eine Dicke von bis zu etwa 5 Mikron, z.B. bis zu etwa 2 oder 3 Mikron, aufweisen. Zweckmäßigerweise können sie eine Dicke von etwa 1 bis etwa 2 Mikron aufweisen. Wie vorstehend beschrieben, sind die elektrischen Kontakte in der Photovoltaikzelle der Erfindung hauptsächlich und bevorzugt nur auf der Rückseitenoberfläche des Wafers und beschatten oder behindern daher nicht die lichtempfangende Vorderseitenoberfläche des Wafers. Dies ergibt eine Photovoltaikzelle, die bezüglich der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie wirksamer ist.
Die Photovoltaikzelle der Erfindung umfasst eine zweite Passivierungsschicht, die über der Rückseiten- oder zweiten Oberfläche des Wafers und in einem Bereich, der mindestens zwischen einem der elektrischen Kontakte und der zweiten Oberfläche des Wafers liegt, angeordnet ist. Somit kann in Abhängigkeit von der Ausführungsform der Erfindung diese zweite Passivierungsschicht über dem größten Teil der ganzen zweiten Oberfläche des Wafers oder insgesamt über der ganzen zweiten Oberfläche des Wafers vorliegen oder sie kann z.B. nur in dem Bereich zwischen einem oder beiden der elektrischen Kontakte und der zweiten oder Rückseitenoberfläche des Wafers angeordnet sein. Ohne sich an eine Theorie der Wirkungsweise binden zu wollen, verringert diese zweite Passivierungsschicht die Dichte der Fehlstellen an der zweiten Oberfläche des Wafers. So kann die zweite Passivierungsschicht eins oder mehr von a-Si:H, Legierungen von a-Si:H und Kohlenstoff, Legierungen von a-Si:H und Stickstoff, Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff, hydriertem mikrokristallinem Silicium oder Mischungen von a-Si:H und hydriertem mikrokristallinem Silicium umfassen. Die zweite Passivierungsschicht umfasst geeigneterweise a-Si:H, gegebenenfalls mit einer vorhandenen hydrierten mikrokristallinen Siliciumlegierung. Die zweite Passivierungsschicht kann eine Dicke bis zu etwa 30 nm aufweisen, z.B. eine Dicke von etwa 4 bis etwa 10 nm. Jedes geeignete Verfahren kann verwendet werden, um die zweite Passivierungsschicht zu bilden. Vorzugsweise wird sie auf und in direktem Kontakt mit der zweiten Oberfläche des Wafers gebildet. Wenn die zweite Passivierungsschicht z.B. a-Si:H umfasst, kann sie unter Verwendung von PECVD in Silan bei einer Temperatur von bis zu etwa 250°C, z.B. etwa 100 bis etwa 200°C, aufgebracht werden.
Die Photovoltaikzelle der Erfindung umfasst auch eine Schicht von einem Halbleitermaterial mit einer entgegengesetzten Leitfähigkeit zu der des Wafers, und wobei diese Halbleiterschicht in dem Bereich zwischen der zweiten Passivierungsschicht und dem ersten Kontakt angeordnet ist. Die Halbleiterschicht kann jedes geeignete Material umfassen, wie z.B. in geeigneter Weise dotiertes a-Si:H, hydriertes mikrokristallines Silicium oder Mischungen davon. Wenn der Siliciumwafer vom p-Typ ist, kann die Halbleiterschicht a-Si:H vom n-Typ, hydriertes mikrokristallines Silicium vom n-Typ oder Mischungen davon umfassen. Phosphor, Arsen oder Antimon oder Mischungen davon können z.B. als Dotiermaterial verwendet werden. Die Gesamtmenge dieses Dotiermittels kann etwa 0,01 Atom-% bis etwa 1,0 Atom-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Dotiermittel und Silicium, betragen. Diese Halbleiterschicht kann eine Dicke bis zu etwa 30 nm, z.B. eine Dicke von etwa 10 bis etwa 20 nm, aufweisen. Die Halbleiterschicht kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens gebildet werden. Wenn die Schicht a-Si:H vom n-Typ umfasst, kann sie unter Verwendung von PECVD bei einer Substrattemperatur von etwa 200°C in einer Atmosphäre von Silan enthaltend eine geringe Menge an Phosphin aufgebracht werden, um die aufgebrachte Schicht mit der vorstehend genannten Menge an Phosphor zu versehen. Ein photovoltaisch aktiver Übergang, z.B. ein pin- oder nip-Übergang ist vorzugsweise zwischen dem Siliciumwafer mit einer ersten Leitfähigkeit und der Halbleiterschicht mit der entgegengesetzten Leitfähigkeit gebildet. Wenn der Wafer vom n-Typ ist, kann diese Halbleiterschicht vom p-Typ sein und kann gebildet werden, indem mit Bor dotiertes a-Si:H, hydriertes mikrokristallines Silicium oder Mischungen davon bei einer Substrattemperatur von etwa 200°C unter Verwendung von PECVD in einer Atmosphäre enthaltend etwa 1 Vol.-% Diboran in Silan abgeschieden werden. Die p-Typ-Halbleiterschicht könnte auch unter Verwendung von PECVD in einer Atmosphäre enthaltend etwa 1 Vol.-% Trimethylaluminium gebildet werden.
Die Photovoltaikzellen der Erfindung umfassen geeigneterweise eine transparente leitfähige Oxid (TCO)-Schicht, die zwischen mindestens einem Metallkontakt und der zweiten Passivierungsschicht angeordnet ist. Diese TCO-Schicht ist vorzugsweise in direktem Kontakt mit einer Metallkomponente des elektrischen Kontakts und vorzugsweise in direktem Kontakt mit mindestens der Schicht des Halbleitermaterials mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zu der des Wafers. Diese TCO-Schicht kann z.B. eines oder mehrere von Zinkoxid, Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid umfassen. Die TCO-Schicht, egal ob sie eine einzelne TCO-Schicht oder zwei oder mehr Schichten umfasst, kann eine Dicke von bis zu etwa 120 nm, z.B. etwa 70 bis etwa 100 nm, aufweisen. Diese TCO-Schicht kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens aufgebracht werden, wie z.B. Sputtern von ZnO mit einem gesinterten ZnO-Target bei einer Substrattemperatur von etwa 150°C.
Der elektrische Kontakt kann an den Metallkontakten auf der Rückseite des Wafers hergestellt werden, indem eine Sammelschiene oder ein Kontaktstreifen zu dem ersten Metallkontakt entlang eines Rands des Wafers befestigt werden.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung werden nun bezüglich der Figuren beschrieben. Die Figuren sind nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet. Die Dicken der verschiedenen Metall-, Halbleiter- und anderen Schichten, die in den Figuren gezeigt sind, sind z.B. nicht notwendigerweise untereinander maßstabsgerecht.
1 zeigt einen Querschnitt von einem Teil einer Photovoltaikzelle 1 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit Punktkontakten. Die Photovoltaikzelle 1 weist einen Wafer 5 aus kristallinem Silicium vom p-Typ auf. Die Frontseitenoberfläche oder lichtempfangende Oberfläche des Wafers 5 ist strukturiert, wie durch die Texturlinie 10 gezeigt. Der Wafer 5 hat eine erste Passivierungsschicht auf der Vorderseitenoberfläche aus einer Schicht von Siliciumdioxid 15 und einer Schicht von Siliciumnitrid 20. Die Photovoltaikzelle 1 hat eine zweite Passivierungsschicht 25 umfassend hydriertes amorphes Silicium (a-Si:H) und ist in Kontakt mit Wafer 5 angeordnet. Die zweite Passivierungsschicht 25 ist in Kontakt mit einer Schicht 30 aus a-Si:H vom n-Typ. Die Schicht 30 ist in Kontakt mit der TCO-Schicht 35 umfassend Indium-Zinn-Oxid. Die TCO-Schicht 35 ist in Kontakt mit und angeordnet unter der ersten Metallschicht 40 umfassend z.B. Aluminium. So bildet die erste Metallschicht 40 zusammen mit der TCO-Schicht 35 den ersten elektrischen Kontakt auf der Rückseite der Photovoltaikzelle 1. 1 zeigt auch den zweiten elektrischen Kontakt 45 umfassend einen ersten Teil 48, der in Form einer Schicht über der Rückseitenoberfläche des Wafers vorliegt, und zweite Teile 50, die Punktkontakte sind, die sich von dem Schichtteil 48 in den Wafer 5 erstrecken. Der zweite elektrische Kontakt 45 kann z.B. ein Metall wie Aluminium umfassen.
1 zeigt die Isolierschicht 55 umfassend z.B. Siliciumnitrid, die zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 45 und den Schichten 25, 30, 35 und der ersten Metallschicht 40 angeordnet ist. So trennt und elektrisch isoliert die Isolierschicht 55 den zweiten elektrischen Rückseitenkontakt 45 von dem anderen elektrischen Kontakt 40 und den Schichten 25, 30 und 35. 1 zeigt auch Vertiefungen oder Dellenmarkierungen 60 im zweiten elektrischen Kontakt 45. Wie nachstehend ausführlich beschrieben, können diese Vertiefungen oder Dellen gebildet werden, wenn die zweite elektrischen Kontaktschicht 48 z.B. unter Verwendung eines Lasers „durchgebrannt" wird, um Punktkontaktteile 50 des zweiten elektrischen Kontakts 45 zu bilden, die sich in den Wafer 5 erstrecken. Somit ist der zweite elektrische Kontakt 45 die Schicht 48 und die Punktkontakte 50. Die 1 zeigt auch das Rückseitenoberflächenfeld (BSF) 65, das sich entlang des Bereichs befindet, wo Punktkontakte 50 des zweiten elektrischen Kontakts 45 den Wafer 5 treffen oder darin eintreten. Dieses BSF ist in 1 als Sammlung von "+"-Zeichen dargestellt. Wie nachstehend ausführlicher erläutert, kann ein solches BSF gebildet werden, wenn die Punktkontakte 50 z.B. unter Verwendung eines Lasers gebildet werden, um die Metallschicht 48 zum Wafer durchzubrennen. Das Hochtemperaturmetall in Kontakt 45, das als Ergebnis der Erwärmung durch einen Laserstrahl gebildet wird, bildet die BSF, wenn das Hochtemperaturmetall in Kontakt mit dem Wafer 5 kommt. 2 ist eine Draufsicht eines Teils der gleichen, in 1 gezeigten Photovoltaikzelle, wenn man auf die Rückseitenoberfläche der Photovoltaikzelle schaut. Sie zeigt, dass die Punktkontakte in Form eines Anordnungsmusters auf der Rückseite der Photovoltaikzelle vorliegen können. 2 zeigt Dellen 60 (aus Gründen der Klarheit nur einige aufgeführt) und sie zeigt auch als gestrichelte Linien die Bereiche, in denen die erste Metallschicht 40 und die damit verbundenen Schichten 25, 30, 35 z.B. durch Laserablation entfernt sind, bevor die Isolierschicht 55 abgeschieden wird, welche die Bereiche, die z.B. durch Laserablation entfernt wurden, füllt. Die Entfernung dieser Schichten wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Die Punktkontaktbereiche 50 (siehe 1) werden durch "Durchbrennen" z.B. mit einem Laser im Mittelteil des Bereichs des zweiten elektrischen Kontakts gebildet, der oberhalb des Bereichs liegt, in dem die erste Metallschicht und die damit verbundenen Schichten 25, 30 und 35 entfernt sind. Hier beschriebene Metallschichten, wie Metallschichten 40 und 48 können z.B. durch Magnetron-Sputtern eines Metalltargets, wie eines Aluminium-Targets, wenn die Metallschicht Aluminium ist, gebildet werden.
3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Segment von einer Photovoltaikzelle entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung. Alle Komponenten von Zelle 1 in 3, die den gleichen Komponenten in den 1 und 2 entsprechen, sind in gleicher Weise nummeriert. Zur Vereinfachung ist nur eine Delle oder Vertiefung 60 in 3 markiert und nur ein Punktkontakt 50. 3 zeigt klar, wie Punktkontakte 50 sich von der Metallschicht 48 des zweiten elektrischen Kontakts 45 durch die Isolierschicht 55 erstrecken und in den Wafer 5 eintreten. Aus Gründen der Klarheit sind nur einige Punktkontakte, die als punktierte Linien gezeichnet sind, in 3 gezeigt. 3 zeigt auch in dreidimensionaler Darstellung die Anordnung von Punktkontakten, die den zweiten Kontakt 45 ausmachen, der die Metallschicht 48 und eine Mehrzahl von Punktkontakten 50 umfasst. 3 zeigt auch, wie der erste Kontakt umfassend die Metallschicht 40 von dem zweiten Kontakt 45 umfassend die Schicht 48 und die Punktkontakte 50 elektrisch getrennt ist, wobei diese elektrische Trennung durch die Isolierschicht 55 bereitgestellt wird.
Wie in 3 gezeigt, weist ein Rand der Photovoltaikzelle einen freigelegten Bereich 41 der ersten Metallkontaktschicht 40 auf. Dieser freigelegte Bereich kann verwendet werden, um einen Draht oder eine andere elektrische Leitungsführung mit der Photovoltaikzelle zu verbinden. Dieser freigelegte Bereich kann z.B. durch Entfernen der Schichten 48 und 55 in 1 gebildet werden oder dieser Bereich kann nach der Aufbringung der ersten Metallkontaktschicht 40 maskiert werden, so dass die Schichten 55 und 48 nicht darauf gebildet werden, und die Maske wird danach entfernt, um den Kontakt freizulegen.
4 ist gleich wie 3, außer dass 4 in dreidimensionaler Teilschnittansicht zeigt, wie Punktkontakte 50 aussehen, wenn sie sich durch die Schichten auf der Rückseite der Photovoltaikzelle erstrecken. Alle Komponenten in 4, welche die gleichen wie in 3 sind, sind gleich nummeriert. Insbesondere zeigt 4, wie Punktkontakte 50 unter Dellen 60 sich durch die erste Kontaktmetallschicht 40, die TCO-Schicht 35, die a-Si:H-Schicht vom n-Typ 30, die zweite Passivierungsschicht 25 und in den Siliciumwafer 5 erstrecken. 4 zeigt auch, wie die Isolierschicht 55 neben den Punktkontakten 50 liegt und diese umgibt. Die Isolierschicht 55 isoliert so die erste Kontaktschicht 40 elektrisch von den Punktkontakten 50.
Ohne sich an eine Theorie der Wirkungsweise binden zu wollen, sammeln der erste Metallkontakt 40 und die damit verbundenen Schichten 25, 30 und 35 photoerzeugte Elektronen (für einen Wafer vom p-Typ 5) und sammeln die Punktkontakte 50 photoerzeugte Löcher. Die photoerzeugten Elektronen und Löcher werden erzeugt, wenn Licht auf die Vorderseitenoberfläche 10 einfällt und in dem kristallinen Siliciumwafer 5 absorbiert wird. Der Wafer 5, die Passivierungsschicht 25 und die a-Si:H-Schicht vom n-Typ 30 bilden einen pin-Halbleiterübergang mit einem inneren elektrischen Feld, das die Sammlung der photoerzeugten Elektronen unterstützt. Die Punktkontakte 50 bilden einen ohmschen Kontakt zum p-Typ-Wafer 5, der wirksam die photoerzeugten Löcher sammelt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikzelle entsprechend der Erfindung und mit einem wie in den 1 bis 3 gezeigten Aufbau wird nun beschrieben, wobei verständlich ist, dass dies nicht das einzige Verfahren zur Herstellung dieser Photovoltaikzelle ist. Das Verfahren ist auch in Blockdiagrammform in 5 gezeigt.
In Schritt 1 wird ein Siliciumwafer, der für die Herstellung von Photovoltaikzellen geeignet ist, der mit Bor dotiert ist (als p-Typ bezeichnet), mit einer Dicke von etwa 200 Mikron auf einer ersten Seite oder Fläche des Wafers strukturiert, die schließlich die lichtempfangende Seite der Photovoltaikzelle aus dem Wafer wird. Die Struktuierung kann durch Ätzen in einer geeigneten sauren oder basischen Lösung durch wohlbekannte Verfahren durchgeführt werden. Die Rückseitenoberfläche des Wafers kann in Abhängigkeit von der Dicke des Wafers und der eingesetzten Lichteinfanggeometrie strukturiert sein oder nicht. In Schritt 2 lässt man eine Dünnschicht von Siliciumoxid auf der strukturierten Oberfläche durch ein thermisches Oxidationsverfahren aufwachsen, was z.B. durch Erwärmen des Wafers für mehrere Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 850 bis 900°C in einer Atmosphäre enthaltend Sauerstoff und Wasserstoff bewerkstelligt werden kann. Die Bedingungen für diesen Prozess können so ausgewählt werden, dass die Siliciumoxid-Schichten etwas 5 bis 20 nm dick sind. In Schritt 3 wird eine Schicht von Siliciumnitrid auf der Siliciumoxid-Schicht unter Verwendung des plasmagestützten chemischen Aufdampfens (PECVD) in einer Atmosphäre aus Silan und Ammoniak bei einer Temperatur von etwa 400°C abgeschieden. Die Schicht ist in Abhängigkeit von der Dicke der Siliciumoxid-Schicht etwa 60 bis etwa 90 nm dick. Die Dicken der Siliciumoxid-Schicht und der Siliciumnitrid-Schicht werden ausgewählt, um die Lichtdurchlässigkeit in die Photovoltaikzelle zu maximieren. In einer anderen Ausführungsform kann die dünne Oxidschicht weggelassen werden und eine Schicht von Siliciumnitrid wird direkt auf die strukturierte erste Seite des Wafers abgeschieden. Diese Schicht ist etwa 80 nm dick und kann abgestuft sein, so dass der Stickstoffgehalt von 0 an der Oberfläche des Siliciumoxids auf etwa der in Si₃N₄ gefundenen Konzentration über eine Distanz von etwa 10 nm ansteigt und dann über eine Distanz von etwa 70 nm konstant bleibt. Wenn keine- Siliciumoxid-Schicht hinzugefügt wird, würde die Abstufung an der ersten Oberfläche des Wafers beginnen. Die Rückseitenoberfläche des Wafers ist vor der Aufnahme dieser Schicht geschützt, indem der Wafer in engem Kontakt mit dem Substrathalter ist. In Schritt 4 wird eine Schicht von a-Si:H mit einer Dicke von etwa 5 nm direkt auf der Rückseitenoberfläche des Wafers unter Verwendung von PECVD in Silan bei einer Temperatur von etwa 200°C hinzugefügt, wobei die Vorderseitenoberfläche in engem Kontakt mit dem Waferhalter ist oder in anderer Weise vor dem Silanplasma abgeschirmt ist, um die Abscheidung von a-Si:H auf der Vorderseitenoberfläche zu vermeiden, unmittelbar gefolgt von der Hinzufügung einer Schicht von a-Si:H vom n-Typ mit einer Dicke von etwa 20 nm. Die Schicht aus a-Si:H vom n-Typ kann auf die Schicht von intrinsischem a-Si:H aufgebracht werden, indem die richtige Menge an n-Dotiermittel, wie Phosphin, zur Gasmischung aus Silan und Wasserstoff, die zur Aufbringung der intrinsischen Schicht verwendet wird, während des PECVD-Verfahrens zugegeben wird. So stellen die Hinzufügung der Schicht aus a-Si:H zum p-Typ-Wafer gefolgt von der Hinzufügung der n-Typ-Schicht aus a-Si:H einen photovoltaisch aktiven pin-Übergang auf der Rückseitenoberfläche des Wafers bereit. Obwohl hier als zwei getrennte Schichten beschrieben und veranschaulicht, ist verständlich, dass die Grenze zwischen der inneren Schicht aus a-Si:H und dem a-Si:H vom n-Typ nicht notwendigerweise eine eindeutige Grenze ist und z.B. in Form einer abgestuften Grenze vorliegen kann, bei der die Menge des n-Dotiermittels sich eher allmählich zwischen den Schichten ändert, statt abrupt, wie bei zwei Schichten mit wohldefinierter Grenzlinie. In Schritt 5 wird eine Schicht von einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO), wie Indium-Zinn-Oxid oder Zinkoxid, auf die a-Si:H-Schicht vom n-Typ aufgebracht. Bei der TCO-Schicht kann es sich um Zinkoxid mit einer Dicke von etwa 80 nm handeln und sie wird zweckmäßigerweise unter Verwendung von Magnetron-Sputtern eines gesinterten Zinkoxid-Targets bei einer Temperatur von etwa 150°C aufgebracht. Die TCO-Schicht ist aber optional. In Schritt 6 wird eine Schicht aus Metall, z.B. Aluminium, mit einer Dicke von etwa 1 Mikron, auf die TCO-Schicht unter Verwendung von Magnetron-Sputtern von einem Aluminium-Target in einer Argonatmosphäre aufgetragen. Diese Aluminiumschicht ist der erste elektrische Kontakt. In Schritt 7 wird eine Mehrzahl von ersten Löchern in der Rückseite des Wafers zumindest durch die Aluminiumschicht und, falls vorhanden, die TCO-Schicht gebildet. Diese Löcher erstrecken sich vorzugsweise durch alle anderen Schichten zur Oberfläche des Siliciumwafers und sogar etwas in den Wafer. Die Löcher können einen Durchmesser von etwa 5 Mikron bis etwa 50 Mikron aufweisen und sie sind beabstandet, so dass die Mitte jedes Lochs etwa 100 Mikron bis 1 mm von der Mitte aller angrenzenden Löcher liegt. Vorzugsweise ist die Beziehung der Wafer-Diffusionslänge zum Durchmesser der Löcher so, dass die Diffusionslänge größer sein sollte als der Durchmesser der Löcher. Das Muster dieser Löcher ist zweckmäßigerweise eine Anordnung von Säulen und Reihen von Löchern. Für einen Wafer, der etwa 200 Mikron dick ist, ist z.B. der bevorzugte Abstand der Löcher so, dass etwa 64 Löcher pro cm² bis etwa 6.400 Löcher pro cm² oder etwa 10⁴ bis 10⁶ Löcher in einem Wafer mit einer Oberfläche von 156 cm² vorliegen. Der Abstand der Löcher wird bevorzugt eingestellt, um den Reihenwiderstand der Photovoltaikzelle zu minimieren und das Leistungsvermögen zu maximieren. Die Löcher können in jeder zweckmäßigen Weise hergestellt werden, wie durch mechanisches Bohren oder durch Maskieren und dann Ätzen mit einem geeigneten Ätzmittel. Ein geeignetes Verfahren ist aber die Verwendung eines Lasers, um Löcher zu bilden. Es kann z.B. ein Excimer-Laser verwendet werden, um sowohl die Aluminium- als auch die TCO-Schichten abzutragen, um die Löcher mit der gewünschten Größe zu bilden. In Schritt 8 wird eine Schicht von Siliciumnitrid-Isolierung auf die Aluminium-Schicht und in die Löcher, die in Schritt 7 gebildet wurden, aufgebracht. Die Siliciumnitrid-Schicht ist etwa 100 nm dick und kann durch Magnetron-Sputtern bei einer Substrattemperatur von etwa 150°C oder durch PECVD bei einer Substrattemperatur von etwa 250°C aufgebracht werden. Das Siliciumnitrid kann in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen etwas dicker als 100 nm, z.B. 200 nm, gemacht werden, um einen Schlupf oder Kurzschluss zwischen den ersten und zweiten elektrischen Kontakten zu verhindern. Obwohl Silicumnitrid in diesem Beispiel als Isolierschicht verwendet wird, können andere Materialien in der Erfindung als Isolierschicht verwendet werden, wie z.B. Siliciumoxynitrid oder Siliciumoxid. In Schritt 9 wird eine zweite Metallschicht aus z.B. Aluminium auf die Schicht von Siliciumnitrid aufgebracht, um den zweiten elektrischen Kontakt zu bilden. Die Aluminiumschicht ist etwa 1 Mikron dick und kann unter Verwendung von Magnetron-Sputtern aufgetragen werden. In Schritt 10 wird die zweite Metallschicht aus z.B. Aluminium behandelt, um Punktkontakte zu bilden, die sich von der zweiten Metallschicht zur Oberfläche und vorzugsweise in die Oberfläche des Siliciumwafers erstrecken. Diese Punktkontakte können z.B. durch Positionieren eines Laserstrahls auf die zweite Metallschicht an den Stellen im Zentralbereich, wo die Löcher in Schritt 7 gebildet wurden, gebildet werden. Der Laserstrahl erwärmt das Metall in der zweiten Kontaktschicht und das geschmolzene Metall schmilzt durch die Schicht aus Siliciumnitrid (und Schichten aus amorphem Silicium, wenn die in Schritt 7 gebildeten Schichten sich nicht zum Wafer erstrecken) und in den Wafer, wobei eine Schicht aus Siliciumnitrid-Isoliermaterial um den Punktkontakt herum zurückbleibt. Da die Punktkontakte in den Löchern gebildet werden, ist die Mitte eines Punktkontakts etwa 100 Mikron bis etwa 1 mm von der Mitte der Punktkontakte, die unmittelbar daran angrenzen. Der Abstand der Punktkontakte wird bevorzugt eingestellt, um den Reihenwiderstand der Photovoltaikzelle zu minimieren und die Leistungsfähigkeit der photovoltaischen Zelle zu maximieren. Aufgrund der hohen Temperatur des geschmolzenen Aluminiums ist es außerdem bevorzugt, diese Prozeduren so durchzuführen, dass ein Teil des Aluminiums in den Siliciumwafer diffundiert, was ein Rückseitenoberflächenfeld ("BSF") in dem Wafer angrenzend zu dem Bereich, wo das Aluminiummetall den Wafer kontaktiert, bildet. Obwohl es bevorzugt ist, einen Laser zur Bildung solcher Punktkontakte zu verwenden, können andere Verfahren verwendet werden, wie Elektronen- oder Ionenstrahl-Beschuss der Aluminiumschicht im Vakuum, wobei der Elektronen- oder Ionenstrahl in den zentralen Bereichen lokalisiert wird, wo die Löcher in Schritt 7 gebildet wurden. Andere Metalle anstelle von oder zusätzlich zu Aluminium können verwendet werden, wie eines oder mehrere der Metalle, die hier zur Bildung der elektrischen Kontakte beschrieben wurden.
Obwohl die Punktkontakte als zylindrische Schächte oder Säulen mit kreisförmigem horizontalem Querschnitt gezeigt werden, ist verständlich, dass die Punktkontakte jede geeignete Form aufweisen können. Statt runder Löcher, die mit elektrischem Kontaktmaterial gefüllt sind, können diese Punktkontakte z.B. halbkugelförmig oder Schächte oder Säulen mit einer ovalen oder mehr länglichen Querschnittsform sein oder irgendeine andere geeignete geometrische Form oder irgendein anderes geeignetes geometrisches Muster haben. Die Breite des Punktkontakts, z.B. der Durchmesser eines zylindrischen oder säulenförmigen Punktkontakts oder die Breite eines Punktkontakts mit einer ovalen oder mehr länglichen Querschnittsform können bis zu etwa 100 Mikron, z.B. etwa 5 bis etwa 100 Mikron, betragen.
6 zeigt einen Querschnitt eines Teils von Photovoltaikzelle 1 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit Punktkontakten, wobei die Punktkontakte passiviert sind. Das heißt, es gibt eine Passivierungsschicht oder -schichten zwischen dem Metallteil des Punktkontakts und der zweiten Oberfläche des Wafers. Die Elemente der Photovoltaikzelle in 6, die gleich mit den Elementen in 1 sind, sind gleich nummeriert. Wie in 6 gezeigt, sind zwischen den Punktkontakten 50 und dem Wafer 5 Schichten 70 und 75. Aufgrund der Art und Weise, wie die Photovoltaikzelle 1 in 6 gemacht ist, was nachstehend beschrieben werden wird, sind außerdem Schichten 80 und 85 zwischen der Isolierschicht 55 und dem zweiten elektrischen Kontakt 45 angeordnet. Die Schichten 80 und 85 haben die gleiche Zusammensetzung, zumindest wenn sie anfänglich abgeschieden sind, wie die Schichten 70 bzw. 75. Die Punktkontakt-Passivierungsschicht 70 kann z.B. eines oder mehrere von a-Si:H, Legierungen von a-Si:H und Kohlenstoff, Legierungen von a-Si:H und Stickstoff, Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff, hydriertem mikrokristallinem Silicium oder Mischungen von a-Si:H und hydriertem mikrokristallinem Silicium umfassen. Sie umfasst geeigneterweise a-Si:H, gegebenenfalls mit einer vorhandenen hydrierten mikrokristallinen Siliciumlegierung. Die Punktkontakt-Passivierungsschicht kann eine Dicke von bis zu etwa 30 nm, z.B. etwa 4 bis etwa 10 mm, aufweisen. Jedes geeignete Verfahren kann eingesetzt werden, um die Punktkontakt-Passivierungs schicht zu bilden. Bevorzugt wird sie auf und in direktem Kontakt mit der zweiten Oberfläche des Wafers 5 gebildet. Wenn die Punktkontakt-Passivierungsschicht z.B. a-Si:H umfasst, kann sie unter Verwendung von PECVD in Silan bei einer Temperatur von bis zu etwa 250°C, z.B. etwa 100 bis etwa 200°C, aufgebracht werden.
Die Photovoltaikzelle der Erfindung wie in 6 gezeigt umfasst auch eine dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht mit der gleichen Leitfähigkeit wie die des Wafers, wobei diese dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht 75 in dem Bereich zwischen der Punktkontakt-Passivierungsschicht 70 und dem Punktkontakt 50 angeordnet ist. Diese dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht kann jedes geeignete Material umfassen, wie z.B. in geeigneter Weise dotiertes a-Si:H, hydriertes mikrokristallines Silicium oder Mischugnen davon. Wenn der Wafer 5 vom p-Typ ist, kann die dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht a-Si:H vom p-Typ, Legierungen aus a-Si:H vom p-Typ und Kohlenstoff, Legierungen aus a-Si:H vom p-Typ und Stickstoff oder Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff oder Mischungen davon umfassen. Bor kann z.B. als p-Typ-Dotiermaterial verwendet werden. Die Gesamtmenge dieses Dotiermittels kann etwa 0,01 Atom-% bis etwa 1,0 Atom-%, bezogen auf die Gesamtmenge von vorhandenem Silicium, Legierungsmaterial und Dotiermittel, betragen. Diese dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht kann eine Dicke von bis zu etwa 30 nm, z.B. etwa 10 bis etwa 20 nm, aufweisen. Die dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht 75 kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens gebildet werden. Wenn die Schicht a-Si:H vom p-Typ umfasst, kann sie unter Verwendung von PECVD bei einer Substrattemperatur von etwa 200°C in einer Atmosphäre von Silan enthaltend eine geringe Menge an Diboran aufgebracht werden, um die aufgebrachte Schicht mit der vorstehend genannten Menge an Bor-Dotiermittel zu versehen. Wenn der Wafer 5 vom n-Typ ist, dann kann die dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht a-Si:H vom n-Typ, Legierungen von a-Si:H und Kohlenstoff, Legierungen von a-Si:H und Stickstoff oder Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff oder Mischungen davon umfassen. Phosphor kann z.B. als n-Typ-Dotiermaterial verwendet werden. Die Gesamtmenge dieses Dotiermittels kann etwa 0,01 Atom-% bis etwa 1,0 Atom-%, bezogen auf die Gesamt menge an vorhandenem Silicium, Legierungsmaterial und Dotiermittel, betragen. Diese dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht kann eine Dicke von etwa 30 nm, z.B. etwa 10 bis etwa 20 nm, aufweisen. Die dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht 75 kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens gebildet werden. Wenn die Schicht a-Si:H vom n-Typ umfasst, kann sie unter Verwendung von PECVD bei einer Substrattemperatur von etwa 200°C in einer Atmosphäre von Silan enthaltend eine geringe Menge an Phosphin aufgebracht werden, um die aufgetragene Schicht mit der vorstehend genannten Menge an Phosphor-Dotiermittel zu versehen.
Die Photovoltaikzelle 1 in 6 kann z.B. in der gleichen Weise hergestellt werden, wie für die Photovoltaikzelle von 1 beschrieben, außer dass nach dem Schritt der Abscheidung der Isolierschicht 55 ein zweiter Schritt eingesetzt werden kann, um zweite Löcher im Mittelbereich der ersten Löcher zu bilden. Diese zweiten Löcher sind so gemacht, dass die Oberfläche des Wafers freigelegt wird. Die zweiten Löcher können durch jedes geeignete Verfahren gemacht werden, wie z.B. durch Laserablation mit einem Nd-YAG-Laser mit einer Laserstrahl-Energiedichte, die ausreicht, um die Isolierschicht 55 abzutragen. Die Punktkontakt-Passivierungsschicht 70 wird in den zweiten Löchern durch das vorstehend beschriebene Verfahren abgeschieden und kann auf der gesamten äußeren Oberfläche der Isolierschicht 55 abgeschieden werden, so dass die Schicht 80 gebildet wird. Nach Abscheidung der Punktkontakt-Passivierungsschicht 70 kann die dotierte Punktkontakt-Halbleiterschicht 75 durch ein oder mehrere vorstehend beschriebene Verfahren abgeschieden werden. Wiederum wird diese Schicht in den zweiten Löchern über der Punktkontakt-Passivierungsschicht abgeschieden, um die Schicht 75 zu bilden, und kann über der ganzen Oberfläche der Isolierschicht 55 abgeschieden werden, um die Schicht 85 zu bilden. Die Metallschicht 45, z.B. Aluminium, wird als nächstes abgeschieden, um den zweiten elektrischen Kontakt zu bilden. Die Metallschicht kann durch ein oder mehrere der gleichen Verfahren, die vorstehend für die Abscheidung der Schicht 45 in 1 beschrieben wurden, abgeschieden werden. Wenn diese Metallschicht abgeschieden wird, füllt sie die Löcher mit der Punktkontakt- Passivierungsschicht 70 und der dotierten Punktkontakt-Halbleiterschicht 75, um den passivierten Punktkontakt für die Photovoltaikzelle zu vervollständigen. Die Metallschicht 45 kann eine Dicke von etwa 1 Mikron bis etwa 2 Mikron aufweisen. Obwohl in 6 nicht gezeigt, kann zwischen dem Metallteil der Punktkontakte 50 und der Punktkontakt-Halbleiterschicht 75 eine Schicht aus TCO hinzugefügt werden. Diese TCO-Schicht kann z.B. 1 oder mehrere aus Zinkoxid oder Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid umfassen. Die TCO-Schicht, egal ob sie eine einzelne TCO-Schicht oder zwei oder mehr Schichten umfasst, kann eine Dicke von bis zu etwa 120 nm, z.B. etwa 70 bis etwa 100 nm, aufweisen. Diese TCO-Schicht kann durch jedes geeignete Verfahren aufgebracht werden, wie z.B. Sputtern von ZnO von einem gesinterten ZnO-Target bei einer Substrattemperatur von etwa 150°C.
7 zeigt eine Draufsicht der Rückseite der Photovoltaikzelle 100 entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit ineinander verschränkten elektrischen Kontakten auf der Rückseitenoberfläche der Zelle. 7 zeigt den ersten elektrischen Kontakt 140 und den zweiten elektrischen Kontakt 141. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben sind 140 und 141 elektrischen Kontakte mit ineinander verschränkter Struktur. Wie in 7 gezeigt, sind die elektrischen Kontakte 140 und 141 in Form von ineinander verschränkten "Fingern", so dass jeder Kontakt nahe von dem anderen Kontakt beabstandet und elektrisch durch den Raum 144 getrennt ist. Wie vorstehend beschrieben, ist die elektrische Trennung 144 bevorzugt bis zu etwa 30 Mikron, z.B. etwa 5 bis etwa 20 Mikron. Jeder "Finger" im elektrischen Kontakt kann bis zu etwa 100 Mikron breit sein; z.B. etwa 20 bis etwa 80 Mikron. 7 zeigt auch die Passivierungsschicht 125, die nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Es ist verständlich, dass 7 eine vereinfachte Sicht der ineinander verschränkten Kontakte ist. In einer tatsächlichen Photovoltaikzelle würde die Anzahl an "Fingern" bevorzugt von der Größe des Wafers abhängen und würde so gewählt werden, dass ein optimierter Zellwirkungsgrad erreicht wird. Daher ist die Zahl der Finger in einer funktionierenden Zelle vorzugsweise sehr viel größer als die Zahl der in 7 gezeigten Finger und sie würden bevorzugt eine Breite und einen Abstand aufweisen, welche die gleichen sind, wie die vorstehend beschriebenen Bereiche. Für ein optimales Photovoltaikzell-Leistungsvermögen sollte die Minoritätsträger-Diffusionslänge des Wafers größer sein als der Abstand 144 und die halbe Breite eines Fingers, der dem Abstand 144 am nächsten ist. Dies ist deutlicher in 7 gezeigt, worin der Abstand "x", welcher der Abstand zwischen einem Finger eines zweiten Kontakts (Basiskontakts) und einem Finger eines ersten Kontakts (Emitterkontakts) plus der halben Breite des Fingers des ersten Kontakts ist. Der Abstand "x" ist bevorzugt kleiner als die Diffusionslänge des Wafers 105.
8 ist eine dreidimensionale Querschnittsansicht eines Teils der Photovoltaikzelle 100, die in 7 gezeigt ist. Es handelt sich um den Teil, der wie in 7 gezeigt als 8 gesehen wird. Die Vorderseiten- oder lichtempfangende Oberfläche des p-Typ-Wafers 105 ist strukturiert, wie durch die Texturlinie 110 gezeigt. Der Wafer 105 hat eine erste Passivierungsschicht 115 auf der Vorderseitenoberfläche aus einer Schicht von Siliciumdioxid und einer Schicht von Siliciumnitrid 120. Die Photovoltaikzelle 100 hat eine zweite Passivierungsschicht 125 umfassend hydriertes amorphes Silicium, die im Kontakt mit dem Wafer 105 angeordnet ist. Die zweite Passivierungsschicht 125 ist in Kontakt mit einer Schicht 130 aus a-Si:H vom n-Typ. Die Schicht 130 ist im Kontakt mit der TCO-Schicht 135 umfassend Zinkoxid oder Indium-Zinn-Oxid. Die TCO-Schicht 135 ist neben der, in Kontakt mit der und angeordnet unter der ersten Metallschicht 140 umfassend z.B. Aluminium. So bildet die Aluminiummetallschicht 140 zusammen mit der TCO-Schicht 135 den ersten elektrischen Kontakt auf der Rückseite der Photovoltaikzelle 110. Die 100 zeigt auch den zweiten elektrischen Kontakt 141 umfassend eine Schicht 131 umfassend a-Si:H vom p-Typ und eine TCO-Schicht 137 umfassend z.B. Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid. Obwohl die Schichten 115, 120, 125, 130, 131, 135, 137, 140, 141 hier beschrieben worden sind, ist verständlich, dass sie andere Materialien umfassen können und hergestellt werden können wie für die entsprechenden Schichten beschrieben, die vorstehend für die anderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind. Sie können z.B. die Zusammensetzung und die Abmessungen der entsprechenden Schichten wie für die in den 1 bis 4 gezeigte Photovoltaikzelle beschrieben aufweisen. Insbesondere kann die Schicht 115 a-Si:H umfassen und, wenn Kohlenstoff in dieser Schicht aus a-Si:H enthalten ist, die Menge an Kohlenstoff kann abgestuft sein, so dass die Menge an Kohlenstoff im a-Si:H neben dem Wafer minimal ist, z.B. kein Kohlenstoff, und maximal, z.B. etwa 15, 20 oder 25 Atom-% (bezogen auf Silicium und Kohlenstoffatome in der Schicht insgesamt), am weitesten entfernt von der Grenzfläche zwischen dem Wafer und der a-Si:H-Schicht. Wenn in der Schicht Bor enthalten ist, kann die Borkonzentration auf die gleiche Weise abgestuft sein, wobei die maximale Borkonzentration etwa 1 Atom-% (bezogen auf die Gesamtmenge an Silicium, Bor und, falls vorhanden, Kohlenstoff in der Schicht) beträgt.
Die in den 7 und 8 gezeigte Photovoltaikzelle kann durch Strukturieren des Wafers unter Verwendung von einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Strukturierverfahren hergestellt werden. Die Schichten 115 und 120 können durch PECVD abgeschieden werden. Die Schicht 115 umfassend z.B. a-Si:H enthaltend Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff abgestuft ist, wie vorstehend beschrieben, kann bei einer Substrattemperatur von etwa 150 bis etwa 300°C mit einem Plasma in Silan und Wasserstoff abgeschieden werden, wobei die Menge an Methan und, falls gewünscht, Boran, in der Gasmischung allmählich erhöht wird, um die gewünschte Abstufung von Kohlenstoff und/oder Bor in der Schicht zu erreichen. Wenn der Wafer ein kristalliner Siliciumwafer vom n-Typ ist, dann können Phosphin oder eine andere Quelle von Phosphor oder ein anderes n-Dotierungsmittel in der Silangas-Beschickung verwendet werden, um eine abgestufte a-Si:H-Schicht 115 zu bilden, die Phosphor oder ein anderes n-Typ-Dotiermittel anstelle von Kohlenstoff oder Bor enthält. Die abgestuften Konzentrationen an Phosphor oder anderem n-Typ-Dotiermittel können die gleichen wie die für Bor sein. Bei der Bildung des Rückseitenkontakts kann die zweite Passivierungsschicht 125 umfassend z.B. a-Si:H über der ganzen Rückseitenoberfläche des Wafers aufgetragen werden, wobei z.B. PECVD bei einer Substrattemperatur von z.B. etwa 150 bis etwa 250°C verwendet wird. Nach der Abscheidung der Schicht 125 kann die Schicht 130 umfassend z.B. a-Si:H vom n-Typ über der ganzen Rückseitenoberfläche des Wafers bei einer Temperatur von z.B. etwa 150 bis etwa 250°C aufgebracht werden. Als nächstes wird eine TCO-Schicht 135, umfassend z.B. Zinkoxid oder Indium-Zinn-Oxid, z.B. durch Sputtern abgeschieden. Als nächstes wird die Metallschicht 140, umfassend z.B. Aluminium, z.B. durch Sputtern abgeschieden. Der nächste Schritt ist die Bildung des Abstands 144 für die ineinander verschränkten Kontakte. Dies kann durch Entfernen der Schichten 125, 130, 135 und 140 in dem gewünschten Muster, wie dem in 7 gezeigten Muster, für die Abstände 144 bewerkstelligt werden. Diese Schichten können durch jedes geeignete Verfahren entfernt werden, wie z.B. Maskieren und chemisches Ätzen. Ein bevorzugtes Verfahren ist aber die Verwendung eines Lasers, wie eines Hochgeschwindigkeits-Abtastlasers, um die Schichten in dem gewünschten Muster abzutragen. Zum Beispiel kann ein frequenzverdoppelter Nd-Yag-Laser eingesetzt werden, um die abgeschiedenen Schichten in den zweckmäßigen Bereichen abzutragen. Der Laser sollte bevorzugt die Schichten 125, 130, 135 und 140 in dem gewünschten Muster entfernen, ohne die Oberfläche des Wafers 105 zu schädigen. Nach diesem Laserablationsschritt kann die Oberfläche des freigelegten Wafers mit einer Wasserstoffplasmaentladung behandelt werden, um Schäden zu mildern oder zu reparieren, die vielleicht durch den Laser auf der Waferoberfläche verursacht worden sind.
Nach diesem Schritt der Entfernung der Schichten, wird eine Schicht 125 aus z.B. a-Si:H hinzugefügt, dann wird die Schicht 131, die z.B. a-Si:H vom p-Typ umfassen kann, hinzugefügt, dann die TCO-Schicht 137 umfassend z.B. Indium-Zinn-Oxid oder Zinkoxid, gefolgt von der Metallschicht 141 umfassend z.B. Aluminium. Diese Schichten füllen die Räume, die im vorigen Schritt durch Laserablation oder ein anderes eingesetztes Verfahren zur Entfernung der Schichten 125, 130, 135 und 140 gebildet wurden. Eine Schicht 125 von a-Si:H und Schichten 131 und 137 werden auch oben auf der Schicht 140 gebildet. Wenn die Metallschicht 141 aufgebracht wird, reagiert sie aber mit den amorphen Siliciumschichten a-Si:H und a-Si:H vom p-Typ, um ein leitfähiges Eutektikum zu bilden.
Um den ineinander verschränkten Rückseitenkontakt zu vervollständigen, wird eine Lücke oder ein Raum 144 zwischen den Schichten 140 und 141 gebildet. Die Lücke oder der Raum kann durch jedes geeignete Verfahren gebildet werden. Das bevorzugte Verfahren ist aber die Verwendung eines Lasers, um die Schichten zwischen 140 und 141 zu entfernen. Zum Beispiel kann ein frequenzverdoppelter Nd-Yag-Laser eingesetzt werden, um die abgeschiedenen Schichten in den zweckmäßigen Bereichen abzutragen. In einem optionalen Schritt wird nach der Bildung der Lücke oder des Raumes die Rückseitenoberfläche des Wafers behandelt, um eine Passivierungsschicht umfassend ein oder mehrere der zur Bildung der Schicht 125 verwendeten Materialien zu bilden. Diese Passivierungsschicht passiviert den Teil des Wafers, der durch den Schritt, der zur Bildung der Lücke oder des Raums 144 eingesetzt wurde, freigelegt wurde. Diese Schicht ist in 8 nicht gezeigt. Sie kann die gleiche Dicke wie für die Schicht 125 beschrieben aufweisen und sie kann wie vorstehend angegeben die gleiche Zusammensetzung haben.
9 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite der Photovoltaikzelle 200 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit ineinander verzahnten elektrischen Kontakten auf der Rückseitenoberfläche der Zelle. In dieser Ausführungsform umfasst aber ein Kontakt auf der Rückseitenoberfläche der Zelle, der in 9 als 241 gezeigte Kontakt, Metall, wie Aluminium, das abgeschieden werden kann, z.B. anfänglich als Aluminium enthaltende Paste, gefolgt von einem Brennen der Paste bei einer Temperatur und über einen Zeitraum, die ausreichen, um einen Aluminiumkontakt in dem gewünschten Fingermuster wie gezeigt zu bilden. Wiederum zeigt 9 wie 7 zur Vereinfachung nur einige "Finger". Die tatsächliche Zelle hat wahrscheinlich eine große Anzahl an Fingern, um den gewünschten Abstand und das maximale Ladungssammlungsvermögen zu erreichen. 9 zeigt auch einen anderen elektrischen Kontakt 240 und eine a-Si:H-Schicht 225. Die Kontakte 240 und 241 bilden ein ineinander verschränktes Muster, das durch den Raum oder die Lücke 244 wie vorstehend für die in 7 gezeigte Zelle beschrieben getrennt ist. Der Abstand und die Breite dieser Finger kann wie vorstehend für die 7 und 8 beschrieben sein.
10 ist eine dreidimensionale Querschnittsansicht eines Teils der in 9 gezeigten Photovoltaikzelle 200. Es handelt sich um den Teil, der wie in 9 als 10 gezeigt gesehen wird. Die Vorderseiten- oder lichtempfangende Oberfläche des Wafers 205 ist strukturiert, wie durch die Texturlinie 210 gezeigt. Der Wafer 205 z.B. mit p-Typ-Leitfähigkeit weist eine erste Passivierungsschicht 215 auf der Vorderseitenoberfläche umfassend z.B. eine Schicht von Siliciumdioxid und eine Schicht von Siliciumnitrid 220 auf. Die Photovoltaikzelle 200 hat eine zweite Passivierungsschicht 225 umfassend z.B. hydriertes amorphes Silicium und ist in Kontakt mit dem Wafer 205 angeordnet. Die zweite Passivierungsschicht 225 ist in Kontakt mit einer Schicht 230 umfassend a-Si:H vom n-Typ. Die Schicht 230 ist in Kontakt mit der TCO-Schicht 235 umfassend z.B. Zinkoxid oder Indium-Zinn-Oxid. Die TCO-Schicht 235 ist neben der, in Kontakt mit der und angeordnet unter der ersten Metallschicht 240 umfassend z.B. Aluminium. So bildet die Metallschicht 240 zusammen mit der TCO-Schicht 235 den ersten elektrischen Kontakt auf der Rückseite der Photovoltaikzelle 210. Die 200 zeigt auch den zweiten elektrischen Kontakt 241 umfassend zum Beispiel Aluminium, der auf den Wafer 205 wie vorstehend beschrieben aufgebracht werden kann. Die Schichten 215, 220, 225, 230, 235, 240 und 241 können die Materialien umfassen und hergestellt sein, wie für die entsprechenden Schichten beschrieben, die vorstehend für die anderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden. Sie können z.B. die Zusammensetzung und die Abmessungen der entsprechenden Schichten aufweisen, wie für die in den 1 bis 4 gezeigte Photovoltaikzelle beschrieben. Insbesondere kann die Schicht 215 a-Si:H umfassen und, wenn Kohlenstoff in der Schicht von a-Si:H enthalten ist, die Menge an Kohlenstoff kann abgestuft sein, so dass die Menge an Kohlenstoff im a-Si:H neben dem Wafer minimal ist, z.B. kein Kohlenstoff, und maximal z.B. 15, 20 oder 25 Atom-% (bezogen auf Silicium und Kohlenstoffatome insgesamt in der Schicht) am weitesten entfernt von der Grenzfläche zwischen dem Wafer und der a-Si:H-Schicht. Wenn Bor in der Schicht enthalten ist, kann die Borkonzentration in der gleichen Weise abgestuft sein, wobei die maximale Borkonzentration etwa 1 Atom-% (bezogen auf die Gesamtmenge an Silicium und, falls vorhanden, Kohlenstoff in der Schicht) beträgt. Der elektrische Kontakt 240 und 244 kann die Raum- und Lücken abmessungen wie für die in den 7 und 8 gezeigte Zelle beschrieben aufweisen.
Die in den 9 und 10 gezeigte Photovoltaikzelle kann in der gleichen Weise hergestellt werden wie vorstehend für die in den 7 und 8 gezeigte Zelle beschrieben, außer dass die Schichten 225, 230, 235 und 240 bevorzugt gebildet sind, nachdem der Metallkontakt 241 gebildet ist. Der Laser wird dann eingesetzt, um den Raum oder die Lücke 244 durch Abtragen der Schichten 225, 230, 235 und 240 in dem gewünschten Muster zu bilden, um die elektrisch getrennten, ineinander verschränkten Kontakte 240 und 241 zu bilden.
Die Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts aus einer elektrischen Leiterschicht, wie einer Metallschicht, zu einer zweiten Schicht in einer Halbleitervorrichtung, wobei die elektrische Leiterschicht von der zweiten Schicht durch mindestens eine dritte Schicht getrennt ist und wobei die dritte Schicht bevorzugt eine elektrisch isoliererende Schicht ist. Die zweite Schicht kann z.B. ein Wafer, wie ein kristalliner oder multikristalliner Siliciumwafer sein, wie hier beschrieben, die elektrische Isolierschicht kann z.B. eine oder mehrere Schichten von Siliciumnitrid, Siliciumdioxid oder Siliciumoxynitrid sein. Die elektrisch isolierende Schicht umfasst bevorzugt Siliciumnitrid. Es kann andere Schichten geben, wie z.B. eine oder mehrere von a-Si:H, Legierungen von a-Si:H und Kohlenstoff, Legierungen von a-Si:H und Stickstoff, Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff, hydriertem mikrokristallinem Silicium oder Mischungen von a-Si:H und hydriertem mikrokristallinem Silicium, einer Metallschicht und p- oder n-dotiertem a-Si:H. Wenn es eine oder mehrere Schichten gibt, wie eine oder mehrere von a-Si:H, Legierungen von a-Si:H und Kohlenstoff, Legierungen von a-Si:H und Stickstoff, Legierungen von a-Si:H und Sauerstoff, hydriertem mikrokristallinem Silicium, Mischungen von a-Si:H und hydriertem mikrokristallinem Silicium, einer anderen Metallschicht oder p- oder n-dotiertem a-Si:H, die auf einem Wafer, wie z.B. einem multikristallinem oder kristallinem Siliciumwafer, wie hier beschrieben, vorhanden sind, kann der elektrische Kontakt durch das Verfahren hergestellt werden, das die Herstellung eines ersten Lochs oder einer ersten Öffnung in der Schicht oder den Schichten unter Verwendung irgendeines geeigneten Mittels zur Bildung dieses Lochs oder dieser Öffnung umfasst, so dass das Loch oder die Öffnung sich vorzugsweise zur Oberfläche der zweiten Schicht erstreckt. Ein Laser wird bevorzugt verwendet, um dieses Loch oder diese Öffnung zu bilden, wie die hier vorstehend beschriebenen Laser. Die elektrisch isolierende Schicht, wie z.B. Siliciumnitrid, wird auf die oberste Schicht und in die ersten Löcher oder Öffnungen z.B. unter Verwendung hier beschriebenen Verfahren abgeschieden. Das Verfahren zur Bildung des Kontakts kann durch eines der beiden unterschiedlichen Verfahrensabfolgen vervollständigt wird.
In einer Abfolge wird ein zweites Loch oder eine zweite Öffnung durch die Isolierschicht in dem ersten Loch oder der ersten Öffnung, die sich vorzugsweise zur Oberfläche der zweiten Schicht erstreckt, durch irgendein geeignetes Verfahren zur Bildung dieses Lochs oder dieser Öffnung und vorzugsweise durch Verwendung eines Lasers, wie die hier beschriebenen Laser, hergestellt. Das zweite Loch oder die zweite Öffnung hat eine kleinere Abmessung als das erste Loch oder die erste Öffnung, so dass eine Schicht oder ein Bereich des Isoliermaterials um die Innenfläche des zweiten Lochs oder der zweiten Öffnung herum verbleibt. Eine elektrisch leitende Schicht, wie eine Metallschicht, z.B. die eine oder mehrere der hier beschriebenen Metallschichten, wird über der Isolierschicht und in das erste Loch abgeschieden, wodurch der Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der zweiten Schicht gebildet wird.
Die Bildung eines elektrischen Kontakts, das durch das vorstehend beschriebene Verfahren unter Verwendung der ersten Abfolge hergestellt ist, ist in schematischer Form in 11 unter Verwendung eines Siliciumwafers als zweiter Schicht, a-Si:H als einer Schicht zwischen der elektrischen Kontaktschicht und dem Wafer und Siliciumnitrid als der Isolierschicht gezeigt. 11 zeigt Querschnittsansichten des elektrischen Kontakts. Es wird beschrieben unter Verwendung eines Metalls als elektrisch leitender Schicht. Es ist aber verständlich, dass die elektrisch leitende Schicht andere elektrisch leitende Materialien umfassen kann.
11A zeigt einen Wafer 305 mit einer darauf abgeschiedenen a-Si:H-Schicht 325. Wie in 11B gezeigt wird das erste Loch 327 in der Schicht 325 durch ein oder mehrere geeignete Verfahren, wie durch Laserablation der Schicht gebildet. Danach wird eine Schicht 355 aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Siliciumnitrid, über der Schicht 325 und in dem Loch 327 abgeschieden, wie in 11C gezeigt. Das zweite Loch 328 wird in der Schicht 355 in dem Mittelbereich von dem, was das erste Loch 327 war, gebildet, wie in 11D gezeigt, so dass eine Schicht von Isoliermaterial am Außenbereich des Lochs 328 verbleibt. Diese Schicht von Isoliermaterial 355 am Außenbereich des Lochs 328 ist in 11D als 329 gezeigt. Das zweite Loch 328 hat eine kleinere Abmessung als das erste Loch oder die erste Öffnung 327. Im nächsten Schritt wird wie in 11E gezeigt eine elektrisch leitende Schicht 370, wie eine Metallschicht, über der Isolierschicht 355 gebildet, wodurch das Loch 328 gefüllt wird und ein elektrischer Kontakt zwischen der Schicht 370 und der Schicht 305 gebildet wird, womit der elektrische Kontakt vervollständigt wird.
In einem alternativen Verfahren kann eine zweite Verarbeitungsfolge verwendet werden, bei der nach Bildung der Struktur wie in 11C gezeigt, eine elektrisch leitende Schicht, wie eine Metallschicht, über der Isolierschicht 355 abgeschieden wird und dann ein Laser oder ein anderes Mittel wie vorstehend beschrieben verwendet wird, um die elektrisch leitende Schicht über den Bereich, wo das Loch 327 sich befindet, zu "brennen" und die elektrisch leitende Schicht in diesem Bereich zu erhitzen und zu verflüssigen, so dass sie durch die Isolierschicht 355 in das Loch 327 schmilzt und einen elektrischen Kontakt mit der Schicht 305 bildet. Diese Brennen wird so bewerkstelligt, dass eine Schicht aus Isoliermaterial 355 zwischen dem Kontakt und der Schicht 305 bleibt. Diese Schicht ist in 11D als 329 gezeigt.
Wenn hier auf eine Schicht, die über einer anderen Schicht oder über einem Wafer angeordnet ist, Bezug genommen wird und sofern nicht anders angegeben, bedeutet dies nicht notwendigerweise, dass diese Schicht direkt auf oder in Kontakt mit dieser anderen Schicht oder diesem Wafer ist. Schichten oder andere Materialien können zwischen solchen Schichten oder zwischen einer solchen Schicht und dem Wafer sein.
Sofern hier nicht anders angegeben, bedeutet Siliciumnitrid bevorzugt hydriertes Siliciumnitrid, das durch PECVD gebildet ist. Ein solches durch PECVD gebildetes Siliciumnitrid hat eine Stöchiometrie nahe an Si₃N₄. Verfahren zur Abscheidung von Schichten von a-Si:H, mit oder ohne Dotiermittel, wie Phosphor oder Bor, oder anderen Elementen, wie Stickstoff oder Kohlenstoff, sind in der Technik gut bekannt. Allgemeine Bedingungen für die Abscheidung solcher Schichten durch PECVD unter Verwendung einer Mischung von Silan in Wasserstoff sind aber Substrattemperaturen von etwa 100°C bis etwa 250°C und Drücke von etwa 0,05 bis etwa 5 Torr. Verfahren zur Abscheidung von Schichten von Siliciumnitrid sind auch gut bekannt. Allgemeine Bedingungen für die Abscheidung solcher Schichten durch PECVD unter Verwendung einer Mischung von Silan und Ammoniak sind aber Substrattemperaturen von etwa 200°C bis etwa 450°C und Drücke von etwa 0,05 bis etwa 2 Torr.
Die Photovoltaikzellen der Erfindung weisen einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie auf. Photovoltaikzellen der Erfindung, die unter Verwendung eines monokristallinen Siliciumwafers hergestellt werden, bevorzugt mit einer Fläche von etwa 100 bis etwa 250 cm², können einen Wirkungsgrad von mindestens etwa 20% haben und können einen Wirkungsgrad von bis zu oder mindestens etwa 23% haben. Wie hier verwendet, wird der Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden, unter Verwendung der Standarttestbedingungen von AM1.5G bei 25°C mit 1.000 W/m² (1.000 Watt pro Quadratmeter) Beleuchtung gemessen, wobei der Wirkungsgrad die elektrische Energieabgabe der Zelle zur Lichtenergieaufnahme, ausgedrückt in Prozent, ist.
Die Photovoltaikzellen der Erfindung können verwendet werden, um Module zu bilden, wobei z.B. eine Mehrzahl solcher Zellen in einer gewünschten Anordnung elektrisch verbunden und auf oder zwischen ein geeignetes Trägermaterial, wie ein Abschnitt von Glas oder einem anderen geeigneten Material, montiert werden. Verfahren zur Herstellung von Modulen aus Photovoltaikzellen sind den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt.
Die US-Provisional Patentanmeldung, Aktenzeichen 60/623452, eingereicht am 29. Oktober 2004, wird hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen.
Zusammenfassung
Photovoltaikzelle, umfassend einen Wafer, umfassend ein Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei der Wafer eine erste Licht empfangende Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, umfasst; eine erste Passivierungsschicht, die über der ersten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen ersten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen zweiten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist und elektrisch von dem ersten elektrischen Kontakt getrennt ist; eine zweite Passivierungsschicht, die über der zweiten Oberfläche des Wafers in dem Bereich des Wafers angeordnet ist, der mindestens zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der zweiten Oberfläche des Wafers ist; und eine Schicht, umfassend ein Halbleitermaterial von einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zur Leitfähigkeit des Wafers ist, und die in dem Bereich zwischen der zweiten Passivierungsschicht und dem ersten Kontakt angeordnet ist.

Claims

Photovoltaikzelle, umfassend einen Wafer, umfassend ein Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei der Wafer eine erste Licht empfangende Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, umfasst; eine erste Passivierungsschicht, die über der ersten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen ersten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist; einen zweiten elektrischen Kontakt, der über der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist und elektrisch von dem ersten elektrischen Kontakt getrennt ist; eine zweite Passivierungsschicht, die über der zweiten Oberfläche des Wafers in dem Bereich auf dem Wafer angeordnet ist, der mindestens zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der zweiten Oberfläche des Wafers ist; und eine Schicht, umfassend ein Halbleitermaterial von einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zur Leitfähigkeit des Wafers ist, und die in dem Bereich zwischen der zweiten Passivierungsschicht und dem ersten Kontakt angeordnet ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterwafer dotiertes kristallines oder multikristallines Silicium umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 2, bei der die erste Passivierungsschicht Siliciumnitrid, hydriertes amorphes Silicium, hydriertes mikrokristallines Silicium oder eine Kombination davon umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 3, bei der die erste Passivierungsschicht hydriertes amorphes Silicium und ferner eines oder mehrere von Kohlenstoff oder Stickstoff oder Sauerstoff umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 4, bei der die Passivierungsschicht Stickstoff umfasst und die Konzentration von Stickstoff darin abgestuft ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 3, bei der die Passivierungsschicht Siliciumnitrid umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 6, bei der das Siliciumnitrid durch PECVD gebildet ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 2, bei der die zweite Passivierungsschicht hydriertes amorphes Silicium, hydriertes mikrokristallines Silicium oder eine Kombination davon umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der das Halbleitermaterial von einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zur Leitfähigkeit des Wafers ist, hydriertes amorphes Silicium, hydriertes mikrokristallines Silicium oder eine Kombination davon umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der der Wafer ferner eine Diffusionslänge umfasst und wobei die Diffusionslänge größer ist als die Dicke des Wafers.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite elektrische Kontakt in einem ineinander verschränkten Muster auf dem Wafer angeordnet sind.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 11, bei der der Wafer eine Diffusionslänge aufweist und der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des zweiten Kontakts zu einem Rand des ersten Kontakts, der am nächsten zum zweiten Kontakt ist, weniger als die Diffusionslänge ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, umfassend mindestens eine Antireflexschicht auf der ersten Oberfläche.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der die erste Oberfläche strukturiert ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, bei der der zweite elektrische Kontakt ein elektrisch leitendes Metall umfasst, das direkt auf oder in der zweiten Oberfläche des Wafers angeordnet ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 15, ferner umfassend ein BSF, das zwischen dem zweiten Kontakt und dem Wafer angeordnet ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, worin der zweite Kontakt Punktkontakte umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 17, worin eine Isolierschicht zwischen mindestens einem Teil der Punktkontakte und dem ersten Kontakt angeordnet ist.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 18, bei der die Isolierschicht Siliciumnitrid umfasst.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 17, worin die Punktkontakte durch Laserbrennen gebildet werden.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 17, worin der Mittelpunkt-Mittelpunkt-Abstand von benachbarten Punktkontakten im Bereich von etwa 100 Mikron bis etwa 1 mm liegt.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 17, umfassend eine Passivierungsschicht zwischen den Punktkontakten und dem Wafer.
Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, umfassend (a) Abscheiden einer ersten Passivierungsschicht auf einer ersten Oberfläche eines Wafers, umfassend ein Halbleitermaterial; (b) Abscheiden einer zweiten Passivierungsschicht auf einer zweiten Oberfläche des Wafers; (c) Abscheiden über der zweiten Passivierungsschicht einer Schicht von Halbleitermaterial von einem Leiffähigkeitstyp, der entgegengesetzt zu dem des Wafers ist; (d) gegebenenfalls Abscheiden einer TCO-Schicht über der Schicht von Halbleitermaterial; (e) Abscheiden einer ersten elektrischen Kontaktschicht über der Schicht von Halbleitermaterial oder, falls vorhanden, der TCO-Schicht; (f) Bilden einer Mehrzahl von Löchern durch mindestens die erste elektrische Kontaktschicht und die TCO-Schicht, falls vorhanden; (g) Abscheiden einer Schicht von Isoliermaterial über der ersten elektrischen Kontaktschicht und in die Löcher; (h) Abscheiden einer zweiten elektrischen Kontaktschicht über der Isolierschicht; und (i) Bilden einer Mehrzahl von Punktkontakten von der zweiten elektrischen Kontaktschicht zum Wafer.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Wafer Silicium umfasst und eine Diffusionslänge aufweist und die Dicke des Wafers kleiner ist als die Diffusionslänge.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Löcher rund sind.
Verfahren nach Anspruch 24, worin die Löcher von Mittelpunkt zu Mittelpunkt etwa 100 Mikron bis etwa 1 mm beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 23, worin die Punktkontakte durch Laserbrennen der zweiten Kontaktschicht durch die Isolierschicht gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Isolierschicht Siliciumnitrid ist.
Verfahren zur Bildung eines elektrischen Kontakts zwischen einer elektrisch leitenden Schicht und einer zweiten Schicht, wobei es mindestens eine dritte Schicht gibt, die zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten Öffnung in der dritten Schicht; Bilden einer Isolierschicht umfassend ein Isoliermaterial über der dritten Schicht, wobei das Isoliermaterial die erste Öffnung füllt, Bilden einer zweiten Öffnung in der Isolierschicht innerhalb einer Fläche der ersten Öffnung, wobei ein Bereich des Isoliermaterials entlang eines Umfangs der zweiten Öffnung verbleibt und wo die zweite Öffnung, Bilden einer Schicht von elektrisch leitendem Material über der Isolierschicht und Füllen der zweiten Öffnung, wodurch ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der zweiten Schicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem sich die zweite Öffnung zur zweiten Schicht erstreckt.
Verfahren zur Bildung eines elektrischen Kontakts zwischen einer elektrisch leitenden Schicht und einer zweiten Schicht, wobei es mindestens eine dritte Schicht gibt, die zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten Öffnung in der dritten Schicht; Bilden einer Isolierschicht umfassend ein Isoliermaterial über der dritten Schicht, wobei das Isoliermaterial die erste Öffnung füllt, Bilden einer Schicht von elektrisch leitendem Material über der Isolierschicht, Erwärmen der elektrisch leitenden Schicht in einem Bereich über der ersten Öffnung, um zu bewirken, dass die elektrisch leitende Schicht sich verflüssigt und durch das Isoliermaterial in der ersten Öffnung schmilzt und einen elektrischen Kontakt mit der zweiten Schicht bildet.
Elektrischer Kontakt, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 29.
Elektrischer Kontakt, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 31.
Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, umfassend (a) Abscheiden einer ersten Passivierungsschicht auf einer ersten Oberfläche eines Wafers, umfassend ein Halbleitermaterial; (b) Abscheiden einer zweiten Passivierungsschicht auf einer zweiten Oberfläche des Wafers; (c) Abscheiden über der zweiten Passivierungsschicht einer Schicht von Halbleitermaterial von einem Leitfähigkeitstyp, der entgegengesetzt zu dem des Wafers ist; (d) gegebenenfalls Abscheiden einer TCO-Schicht über der Schicht von Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zum Wafer; (e) Abscheiden einer ersten elektrischen Kontaktschicht über dem Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zum Wafer oder, falls vorhanden, der TCO-Schicht; (f) Entfernen mindestens der in den Schritten (d) und (e) gebildeten Schichten in einem gewünschten Muster, wodurch eine Fläche auf dem Wafer ohne die in den Schritten (d) und (e) gebildeten Schichten freigelegt wird; (g) Abscheiden einer dritten Passivierungsschicht über der in Schritt (f) freigelegten Fläche; (h) gegebenenfalls Abscheiden einer Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp, der gleich dem des Wafers ist, über der dritten Passivierungsschicht; (i) gegebenenfalls Abscheiden einer zweiten TCO-Schicht über der dritten Passivierungsschicht oder, falls vorhanden, über der Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp, der gleich dem des Wafers ist; (j) Abscheiden einer zweiten elektrischen Kontaktsschicht über der dritten Passivierungsschicht oder, falls vorhanden, über der Halbleiterschicht mit einem Leitfähigkeitstyp, der gleich dem des Wafers ist, oder, falls vorhanden, über der zweiten TCO-Schicht; (k) Bilden einer Lücke zwischen der ersten elektrischen Kontaktschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht, um die erste elektrische Kontaktschicht von der zweiten elektrischen Kontaktschicht elektrisch zu trennen, wodurch elektrisch getrennte elektrische Kontakte gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die elektrischen Kontakte in einem ineinander verschränkten Muster sind.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die Schichten in Schritt (f) durch Laserablation entfernt werden und die Lücken in Schritt (k) durch Laserablation gebildet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikzelle, umfassend (a) Abscheiden einer ersten Passivierungsschicht auf einer ersten Oberfläche eines Wafers, umfassend ein Halbleitermaterial; (b) Bilden eines ersten elektrischen Kontakts auf der zweiten Oberfläche des Wafers in einem gewünschten Muster; (c) Abscheiden einer zweiten Passivierungsschicht auf einer zweiten Oberfläche des Wafers; (c) Abscheiden über der zweiten Passivierungsschicht einer Schicht von Halbleitermaterial mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zum Wafer; (d) gegebenenfalls Abscheiden einer TCO-Schicht über der Schicht von Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit entgegengesetzt zum Wafer; (e) Abscheiden einer zweiten elektrischen Kontaktschicht über dem Halbleitermaterial oder, falls vorhanden, der TCO-Schicht; (k) Bilden einer Lücke zwischen der ersten elektrischen Kontaktschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht, um die erste elektrische Kontaktschicht von der zweiten elektrischen Kontaktschicht elektrisch zu trennen, wodurch elektrisch getrennte elektrische Kontakte gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 37, bei dem die elektrischen Kontakte in einem ineinander verschränkten Muster sind.
Verfahren nach Anspruch 37, bei dem die Lücke in Schritt (k) durch Laserablation gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Löcher einen Durchmesser von etwa 5 Mikron bis etwa 50 Mikron aufweisen.
Photovoltaikzelle nach Anspruch 22, umfassend eine dotierte Halbleiterschicht mit der gleichen Leitfähigkeit wie der Wafer, die zwischen dem Punktkontakt und dem Wafer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem in Schritt (f) die in den Schritten (b) bis (e) gebildeten Schichten entfernt werden.