DE112012002841B4 - Herstellungsverfahren für invertierte metamorphe Solarzelle mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzelle) - Google Patents

Herstellungsverfahren für invertierte metamorphe Solarzelle mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzelle) Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer invertierten metamorphen Solarzelle mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzelle), das umfasst:
Bilden einer ersten Teilzelle (12) auf einem temporären Substrat (30);
Bilden einer zweiten Teilzelle (14) auf der ersten Teilzelle (12), wobei die zweite Teilzelle eine kleinere Bandlücke aufweist als die erste Teilzelle;
Bilden einer ersten Metallgitterschicht (18), die eine Vielzahl von Gittern aufweist, auf der zweiten Teilzelle (14); Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung (22) auf exponierte Teile der zweiten Teilzelle (14) zwischen Gittern der ersten Metallgitterschicht (18);
Bereitstellen einer Silizium-Teilzelle (16);
Bilden einer zweiten Metallgitterschicht (20), die eine Vielzahl von Gittern aufweist, auf der Silizium-Teilzelle (16);
Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung (24) auf exponierte Teile der Silizium-Teilzelle (16) zwischen Gittern der zweiten Metallgitterschicht (20);
Binden der zweiten Teilzelle (14) an die Silizium-Teilzelle (16), derart, dass die Antireflexionsbeschichtung (22) der zweiten Teilzelle (14) der Silizium-Teilzelle (16) gegenüberliegt, wobei das Binden der zweiten Teilzelle (14) an die Silizium-Teilzelle (16) das Schaffen von Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen den ersten und zweiten Metallgitterschicht (18, 20) der zweiten Teilzelle und der Silizium-Teilzelle umfasst; und
Entfernen des temporären Substrates (30).

Description

  • TECHNOLOGISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich allgemein auf invertierte metamorphe Solarzellen mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzellen) und zugehörige Verfahren zur Herstellung von IMM-Solarzellen und insbesondere auf IMM-Solarzellen, die eine Silizium-Teilzelle aufweisen, und zugehörige Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung von alternativen Energieformen werden Solarzellen nachgefragt, die Solarenergie einfangen und die Solarenergie in elektrische Energie konvertieren, wobei der Schwerpunkt zunehmend auf der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Solarzellen liegt. Ein Typ von Solarzelle, der eine Vielzahl von Vorteilen bietet, einschließlich Konvertierungseffizienz, betrifft eine IMM-Solarzelle. Eine IMM-Solarzelle beinhaltet eine Vielzahl von Teilzellen, die Bandlücken aufweisen, welche ausgewählt sind, um die Solarenergie effizient einzufangen. Um jedoch die Bandlücken passend zu konfektionieren, können die Teilzellen aus Materialien gebildet sein, die Gitter-fehlangepasst sind und/oder bei denen der Wärmeausdehnungskoeffizient („coefficient of thermal expansion“, CTE) fehlangepasst ist. In dem Bemühen, die negative Auswirkung der Gitter- und/oder CTE-Fehlanpassung zu reduzieren, wurden, wie der Name bereits sagt, IMM-Solarzellen hergestellt, jedoch nicht von unten nach oben, wie in einem herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren, sondern zunächst durch Wachsen der obersten Teilzelle gefolgt von der dazwischen liegenden Teilzelle und schließlich gefolgt von der untersten Teilzelle. Durch Herstellen einer IMM-Solarzelle in dieser Reihenfolge können die schädlichen Auswirkungen der Gitter- und CTE-Fehlanpassungen innerhalb der untersten Teilzelle konzentriert werden, so dass sich eine geringere Auswirkung auf die Leistung der IMM-Solarzelle ergibt.
  • Ein Typ von IMM-Solarzelle beinhaltet eine unterste Teilzelle, die aus Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) gebildet ist. Durch das Konfektionieren des prozentualen Anteils von Indium, das innerhalb einer InGaAs enthalten ist, kann die Bandlücke der InGaAs-Teilzelle auf in etwa die optimale Energiebandlücke für die Solarenergie-Kollektion von etwa 1.0 eV reduziert werden. Allerdings kann die Bildung der untersten Teilzelle aus InGaAs eine Gitter- und CTE-Fehlanpassung relativ zu den anderen Teilzellen erzeugen, wodurch die Leistung der resultierenden IMM-Solarzelle limitiert wird.
  • IMM-Solarzellen sind im Allgemeinen relativ dünn und können beispielsweise Teilzellen beinhalten, die eine kollektive Dicke von etwa 10 Micron aufweisen. Damit die IMM-Solarzellen hergestellt und andererseits gehandhabt werden können, ohne übermäßig häufig zu zerbrechen, können die IMM-Solarzellen auf einen Träger montiert werden. Der Träger kann beispielsweise aus Germanium (Ge), Glas, Keramik oder einem anderen Material gebildet sein, das mit der IMM-Solarzelle über einen Kleber verbunden ist, wie beispielsweise einem bei Raumtemperatur vulkanisierenden (RTV) Kleber. Während ein Träger die Handhabung einer IMM-Solarzelle erleichtert, erhöht der Träger die Kosten der IMM-Solarzellstruktur, d. h. der IMM-Solarzelle in Kombination mit dem mechanischen Träger. Außerdem ist der Träger in der Regel bezogen auf die IMM-Solarzelle auf nachteilige Art und Weise thermisch fehlangepasst.
  • Verfahren zur Herstellung von Solarzellen sind bekannt aus US 4 338 480 A und dem Artikel YANG, J. [u.a.]: „Silicon-based multi-junction solar cell with 19.7% efficiency at 1-sun using areal current matching for 2-terminal Operation", in: Proceeding of 2011 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2011, 1019-1024.
  • Somit wäre es wünschenswert, eine verbesserte IMM-Solarzelle zu gestalten. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine Teilzellen enthaltende IMM-Solarzelle mit einer Leistung bereitzustellen, die weniger durch eine Gitter- und/oder CTE-Fehlanpassung limitiert ist.
  • ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer IMM-Solarzelle, wie es in den Ansprüchen 1 und 7 definiert ist, werden bereitgestellt, um die schädlichen Auswirkungen der Gitterfehlanpassung und/oder CTE-Fehlanpassung zwischen den verschiedenen Teilzellen zu reduzieren, wenn nicht gar zu beseitigen. In dieser Hinsicht kann eine IMM-Solarzelle gemäß einer Ausführungsform die CTE-Fehlanpassung zwischen der obersten Teilzelle und der untersten Teilzelle verringern. Außerdem kann eine IMM-Solarzelle nach einer Ausführungsform das Wachsen von Teilzellen auf einer Gitter-fehlangepassten untersten Teilzelle beseitigen, wodurch die schädlichen Auswirkungen einer Gitterfehlanpassung beseitigt werden. Ferner kann eine IMM-Solarzelle nach einer Ausführungsform so strukturiert sein, um ein Zerbrechen während der Handhabung der IMM-Solarzelle zu reduzieren, ohne dass ein von den Teilzellen der IMM-Solarzelle getrennter und zusätzlicher Träger erforderlich ist.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung einer IMM-Solarzelle gemäß Anspruch 1 wird eine erste Teilzelle auf einem temporären Substrat gebildet und eine zweite Teilzelle auf der ersten Teilzelle gebildet. Die zweite Teilzelle weist eine kleinere Bandlücke auf als die erste Teilzelle. Das Verfahren nach dieser Ausführungsform bindet ferner die zweite Teilzelle an eine Silizium-Teilzelle und entfernt dann das temporäre Substrat. Die Silizium-Teilzelle nach einer Ausführungsform kann derart ausgebildet sein, dass sie eine größere Fläche aufweist als die erste und zweite Teilzelle. Somit erstreckt sich der periphere Bereich der Silizium-Teilzelle nach dieser Ausführungsform über die erste und zweite Teilzelle hinaus. In einer Ausführungsform können die erste und zweite Teilzelle so ausgebildet sein, dass diese jeweils einen N-P-Übergang aufweisen. Ein N-P-Übergang kann auch innerhalb der Silizium-Teilzelle gebildet werden, bevor die zweite Teilzelle an die Silizium-Teilzelle gebunden wird.
  • Das Verfahren weist auch das Bilden einer ersten Metallgitterschicht auf der zweiten Teilzelle und das Bilden einer zweiten Metallgitterschicht auf der Silizium-Teilzelle auf. Hierbei wird die zweite Teilzelle an die Silizium-Teilzelle gebunden, indem Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen der ersten und zweiten Metallgitterschicht der zweiten Teilzelle bzw. der Silizium-Teilzelle geschaffen werden. Zusätzlich zur Bildung der ersten und zweiten Metallgitterschicht auf der zweiten Teilzelle bzw. der Silizium-Teilzelle umfasst das Verfahren das Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung auf exponierten Teilen der zweiten Teilzelle und der Silizium-Teilzelle zwischen Gittern der ersten bzw. zweiten Metallgitterschicht. Ein elektrischer Kontakt kann auch auf der ersten Teilzelle nach der Entfernung des temporären Substrates gebildet werden. Eine Antireflexionsbeschichtung wird auch auf exponierte Teile der ersten Teilzelle abgeschieden.
  • In einer anderen Ausführungsform gemäß Anspruch 7 wird ein Verfahren zur Herstellung einer IMM-Solarzelle bereitgestellt, welches das Bilden einer ersten Teilzelle, die Gallium-Indium-Phosphid aufweist, und das Bilden einer zweiten Teilzelle von InxGa1-xAs auf der ersten Teilzelle mit 0 ≤ x ≤ 0,1 beinhaltet. Die zweite Teilzelle weist eine kleinere Bandlücke auf als die erste Teilzelle. In dieser Ausführungsform wird die erste Metallgitterschicht auf der Rückseite der zweiten Teilzelle gebildet. Zusätzlich wird eine Silizium-Teilzelle mit einer darauf versehenen zweiten Metallgitterschicht bereitgestellt. Das Verfahren nach dieser Ausführungsform schafft ferner Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen der ersten und zweiten Metallgitterschicht der zweiten Teilzelle bzw. der Silizium-Teilzelle. Die Silizium-Teilzelle kann eine größere Fläche als die erste und zweite Teilzelle aufweisen, derart, dass sich ein peripherer Teil der Silizium-Teilzelle über die erste und zweite Teilzelle hinaus erstreckt. In einer Ausführungsform kann die erste und zweite Teilzelle jeweils mit N-P-Übergängen gebildet werden und das Silizium-Substrat kann ebenfalls mit einem N-P-Übergang vor der Schaffung der Metall-zu-Metall-Bindungen gebildet werden.
  • Das Verfahren scheidet ferner eine Antireflexionsbeschichtung auf exponierte Teile der zweiten Teilzelle zwischen Gittern der ersten Metallgitterschicht ab. In Bezug auf die Bereitstellung des Silizium-Substrats beinhaltet das Verfahren das Bilden der zweiten Metallgitterschicht und das Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung auf exponierte Teile der Silizium-Teilzelle zwischen Gittern der zweiten Metallgitterschicht. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren außerdem das Bilden eines elektrischen Kontaktes auf der ersten Teilzelle nach der Schaffung von Metall-zu-Metall-Bindungen. Das Verfahren dieser Ausführungsform kann auch das Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung auf exponierte Teile der ersten Teilzelle beinhalten.
  • Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden eine IMM-Solarzelle und damit zusammenhängende Herstellungsverfahren bereitgestellt, um Limitierungen in der Leistung zu reduzieren, die sich anderenfalls aufgrund von CTE- und/oder Gitterfehlanpassungen ergeben, wobei sie weiterhin gegen ein Zerbrechen während des Herstellungsverfahrens geschützt sind. Allerdings können die Merkmale, Funktionen und Vorteile, die diskutiert wurden, unabhängig erreicht werden und die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in anderen Ausführungsformen kombiniert werden, wobei deren weitere Details unter Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung und Zeichnungen ersichtlich werden.
  • Figurenliste
  • Nachdem nun Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit allgemeinen Begriffen beschrieben wurden, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und wobei:
    • 1 eine Plansicht einer IMM-Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
    • 2A und 2B Flussdiagramme sind, die die Operationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung illustrieren;
    • 3 eine Plansicht der ersten und zweiten Teilzelle ist, die von einem temporären Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung getragen werden;
    • 4 eine Plansicht einer Silizium-Teilzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist, und
    • 5 eine Draufsicht auf die Silizium-Teilzelle aus 4 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen umfassender beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In der Tat können diese Ausführungsbeispiele in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und beschränken sich nicht auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele; vielmehr werden diese Ausführungsbeispiele bereitgestellt, so dass die Offenbarung den einschlägigen rechtlichen Anforderungen genügt. Gleiche Ziffern beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
  • Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der eine IMM-Solarzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist. Die IMM-Solarzelle 10 beinhaltet eine Vielzahl von Teilzellen, wie beispielsweise eine erste Teilzelle 12, eine zweite Teilzelle 14 und eine dritte Teilzelle 16. Nachdem diese hergestellt ist, kann die erste Teilzelle 12 die oberste Teilzelle sein, die zweite Teilzelle 14 kann die dazwischenliegende Teilzelle sein und die dritte Teilzelle 16 kann die unterste Teilzelle sein. Wie in 1 gezeigt, können die erste und zweite Teilzelle 12, 14 von der dritten Teilzelle 16 beabstandet sein, derart, dass Probleme in Bezug auf CTE- und Gitterfehlanpassungen zwischen der ersten und zweiten Teilzelle und der dritten Teilzelle reduziert werden, wie unten beschrieben. Die erste und zweite Teilzelle 12, 14 und die dritte Teilzelle 16 sind jedoch elektrisch verbunden, beispielsweise mittels einer Metall-zu-Metall-Bindung, die sowohl zur elektrischen Verbindung als auch dazu dient, die erste und zweite Teilzelle von der dritten Teilzelle physisch zu beabstanden. Wie unten beschrieben, kann die dritte Teilzelle 16 aus Silizium (Si) gebildet sein, so dass diese nicht nur als die dritte Teilzelle funktioniert, sondern auch als Träger dient, um als Schutz gegen ein Zerbrechen der IMM-Solarzelle 10 während der Herstellung und Handhabung zu dienen.
  • Wie in 2A gezeigt, erfolgt die Herstellung der Kombination der ersten und zweiten Teilzelle 12, 14 im Allgemeinen unabhängig von und, in einigen Ausführungsbeispielen, parallel zu der Herstellung der dritten Teilzelle 16. Was die Herstellung der ersten und zweiten Teilzelle 12, 14 betrifft, so kann die erste Teilzelle auf einem temporären Substrat 30 gebildet werden. Siehe Operation 50 sowie die zugehörige Plansicht. Wie hier verwendet, kann eine Schicht als auf einer anderen Schicht betrachtet werden, wenn die Schichten in einer tragenden, darüber- oder darunterliegenden Beziehung angeordnet sind, ungeachtet dessen, ob die Schichten in direktem physischem Kontakt stehen, und ungeachtet dessen, ob die Schichten durch eine oder mehrere Zwischenschichten getrennt sind. Die erste Teilzelle 12 kann auf verschiedene Art und Weise gebildet werden, wobei jedoch in einem Ausführungsbeispiel die erste Teilzelle epitaxial auf dem temporären Substrat 30 wächst. Die erste Teilzelle 12 und das temporäre Substrat 30 können aus verschiedenen Materialien gebildet sein. In einem Ausführungsbeispiel ist jedoch die erste Teilzelle aus GaInP gebildet und das temporäre Substrat ist aus GaAs oder Ge gebildet, wie in 3 gezeigt. Wie ebenfalls in 3 gezeigt, kann ein N-P-Übergang innerhalb der ersten Teilzelle 12 gebildet werden, da die erste Teilzelle 12 eine Schicht eines Materials vom N-Typ und eine benachbarte Schicht eines Materials vom P-Typ enthält, um so einen P-N-Übergang zu definieren. Somit kann ein N-Bereich 12a der ersten Teilzelle 12 in der Nähe des temporären Substrats 30 sein, wobei ein P-Bereich 12b der ersten Teilzelle von dem temporären Substrat beabstandet und von diesem abgewandt sein kann.
  • Wie ebenfalls in der Operation 50 und der zugehörigen Plansicht gezeigt, kann dann eine zweite Teilzelle 14 auf der ersten Teilzelle 12 gebildet werden, beispielsweise durch epitaxiale Abscheidung. Die zweite Teilzelle 14 wird generell aus einem anderen Material als dem der ersten Teilzelle 12 gebildet und in dem Ausführungsbeispiel der 3 wird diese in InxGa1-xAs gebildet mit 0 ≤ x ≤ 0,1. Wie bei der ersten Teilzelle 12 kann ein N-P-Übergang innerhalb der zweiten Teilzelle 14 gebildet werden, da die zweite Teilzelle 14 eine Schicht aus einem Material des N-Typs und eine angrenzende Schicht aus Material des P-Typs enthält, so dass dadurch ein P-N-Übergang definiert wird. Wie in 3 gezeigt, kann deshalb ein N-Bereich 14a der zweiten Teilzelle 14 in der Nähe der ersten Teilzelle 12 und insbesondere des P-Bereichs 12b der ersten Teilzelle sein, wobei der P-Bereich 14b der zweiten Teilzelle von der ersten Teilzelle beabstandet, und von dieser abgewandt ist. Als Ergebnis der nahen Beziehung des N-Bereichs 14a der zweiten Teilzelle 14 und des P-Bereichs 12b der ersten Teilzelle 12 kann ein Tunnelübergang 38 in einigen, aber nicht allen Ausführungsbeispielen, zwischen der ersten und zweiten Teilzelle gebildet sein, in dem sowohl der N-Bereich 14a der zweiten Teilzelle 14 als auch der P-Bereich 12b der ersten Teilzelle 12 stark dotiert sind. In einem Ausführungsbeispiel, das einen Tunnelübergang 38 beinhaltet, kann der Tunnelübergang einen N+-Bereich in der Nähe der zweiten Teilzelle und einen P+-Bereich in der Nähe der ersten Teilzelle beinhalten.
  • Wie in der Operation 52 und der zugehörigen Plansicht aus 2A gezeigt, kann dann eine Metallgitterschicht 18 auf der zweiten Teilzelle 14 gebildet werden, wie beispielsweise auf dem P-Bereich 14b der zweiten Teilzelle. Während Metallgitterschichten in verschiedenen Konfigurationen gebildet werden, beinhaltet die Metallgitterschicht 18 nach einem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Gittern, die sich in generell paralleler Weise über die Oberfläche der zweiten Teilzelle 14 erstrecken, sowie eine gemeinsame Elektrode, die jedes der Gitter verbindet und generell nahe einer Kante der zweiten Teilzelle positioniert ist. Die Metallgitterschicht 18 kann durch verschiedene Techniken gebildet werden, wie beispielsweise durch thermische Dampfabscheidung. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel kann auch eine Antireflexionsbeschichtung 22 gebildet werden, wie beispielsweise durch thermische Dampfabscheidung auf die exponierten Teile der zweiten Teilzelle 14, wie beispielsweise auf die exponierten Teile des P-Bereichs 14b der zweiten Teilzelle zwischen die Gitter der Metallgitterschicht 18. Die Antireflexionsbeschichtung 22 kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein, wird jedoch in einem Ausführungsbeispiel aus Titanoxid (TiOx), Aluminiumoxid (Al2O3) und Siliziumnitrid (Si3N4) gebildet. Danach kann der Wafer mit dem temporären Substrat 30, der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14, der Metallgitterschicht 18 und der Antireflexionsbeschichtung 22 in die gewünschte Größe oder Form getrimmt oder geschnitten werden, wie durch die Operation 54 und zugehörige Draufsicht gezeigt.
  • Wie in dem parallelen Pfad des Flussdiagramms der 2A gezeigt, kann die dritte Teilzelle 16 beispielsweise gleichzeitig mit oder parallel zu der Herstellung der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 hergestellt werden. In dieser Hinsicht kann die dritte Teilzelle 16 aus Silizium gebildet werden, derart, dass eine Silizium-Teilzelle bereitgestellt wird, wie in der Operation 56 gezeigt. Wie in der zu der Operation 56 zugehörigen Plansicht gezeigt, kann ein N-P-Übergang auch innerhalb der Silizium-Teilzelle 16 gebildet werden, wie beispielsweise durch Diffusion oder durch epitaxiales Wachsen des N-Typs in dem P-Typ-Substrat. In dieser Hinsicht kann die Silizium-Teilzelle 16 einen P-Bereich 16a und einen N-Bereich 16b beinhalten, wie detaillierter in 4 gezeigt. Anschließend kann eine Metallgitterschicht 20 auf der Silizium-Teilzelle 16 gebildet werden, wie auf dem N-Bereich 16b der Silizium-Teilzelle. Siehe Operation 58 und die zugehörige Planansicht. Die Metallgitterschicht 20 kann durch verschiedene Techniken gebildet werden, wie beispielsweise durch thermale Dampfabscheidung. In dieser Hinsicht stellt 5 eine Draufsicht der Silizium-Teilzelle 16 bereit, die die Metallgitterschicht 20 zeigt. Wie in 5 gezeigt, kann die Metallgitterschicht 20 eine Vielzahl von Gittern beinhalten, die sich entlang einer Oberfläche der Silizium-Teilzelle erstrecken, wie z. B. über eine Oberfläche des N-Bereichs 16b der Silizium-Teilzelle. Die Gitter können voneinander beabstandet sein und können in einer parallelen Anordnung angeordnet sein. Die Metallgitterschicht 20 kann ferner eine gemeinsame Elektrode beinhalten, die jedes der Gitter miteinander verbindet und beispielsweise entlang einer Kante der Silizium-Teilzelle positioniert ist. Wie in 5 gezeigt, kann auf der Silizium-Teilzelle 16 außerdem eine Antireflexionsbeschichtung 24 gebildet werden, beispielsweise durch thermale Dampfabscheidung. In dieser Hinsicht kann die Antireflexionsbeschichtung 24 auf den exponierten Teilen der Silizium-Teilzelle 16 zwischen den Gittern der Metallgitterschicht 20 gebildet werden. Außerdem kann die gegenüberliegende Oberfläche der Silizium-Teilzelle 16, wie beispielsweise die Oberfläche des P-Bereichs 16a der Silizium-Teilzelle, mit einem Metall beschichtet sein, wie beispielsweise Cu, Ag oder Au, wie beispielsweise durch thermale Dampfabscheidung in einer Vakuumkammer.
  • Die resultierende Silizium-Teilzelle 16 kann dann in die gewünschte Form und Größe geschnitten werden. Siehe Operation 60 und die zugehörige Plansicht. Obwohl die Silizium-Teilzelle verschiedene Formen und Größen aufweisen kann, ist die Form der Silizium-Teilzelle im Allgemeinen ähnlich oder gleich der Form des Wafers, der die erste und zweite Teilzelle 12 und 14 und das temporäre Substrat 30 aufweist. Allerdings ist die Größe der Silizium-Teilzelle 16 im Allgemeinen etwas größer, wie beispielsweise 5 Prozent bis 10 Prozent größer im Oberflächenbereich, als die Größe des Wafers, der die erste und zweite Teilzelle 12 und 14 und das temporäre Substrat 30 aufweist.
  • Wie in der Operation 62 und der zugehörigen Plansicht der 2A gezeigt, kann der Wafer, der die Kombination der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 und das temporäre Substrat 30 aufweist, anschließend invertiert und an die Silizium-Teilzelle 16 gebunden werden. In dieser Hinsicht kann der Wafer, der die Kombination der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 und das temporäre Substrat 30 aufweist, an die Silizium-Teilzelle 16 gebunden werden, derart, dass die zweite Teilzelle und insbesondere der P-Bereich 14b der zweiten Teilzelle dem Silizium-Substrat und insbesondere dem N-Bereich 16b des Silizium-Substrates zugewandt ist. Während der Wafer, der die Kombination der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 und das temporäre Substrat 30 aufweist, an die Silizium-Teilzelle 16 auf verschiedene Art und Weise gebunden sein kann, können Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen den jeweiligen Metallgitterschichten 18 und 19 auf der zweiten Teilzelle bzw. der Silizium-Teilzelle gebildet werden.
  • Anschließend kann das temporäre Substrat 30 entfernt werden, wie beispielsweise durch chemisches Ätzen, derart, dass die erste Teilzelle 12 und insbesondere der Bereich 12a der ersten Teilzelle exponiert sein können. Siehe Operation 64 und die zugehörige Plansicht der 2B. Ein elektrischer Kontakt kann anschließend auf der ersten Teilzelle 12 gebildet werden, wie beispielsweise auf dem N-Bereich 12a der ersten Teilzelle. Siehe Operation 66 und die zugehörigen Plan- und Draufsichten. Der elektrische Kontakt kann gemäß verschiedenen Techniken gebildet werden, wobei der elektrische Kontakt nach einem Ausführungsbeispiel durch thermale Dampfabscheidung gebildet wird. Während verschiedene Typen und Konfigurationen von elektrischen Kontakten auf der ersten Teilzelle 12 gebildet werden können, kann es sich bei dem elektrischen Kontakt um eine Metallgitterschicht 34 handeln, wie in der Draufsicht gezeigt ist, die zu der Operation 66 gehört. In diesem Zusammenhang kann die Metallgitterschicht 34 eine Vielzahl von Gittern beinhalten, die sich entlang der ersten Teilzelle 12 erstrecken, wie beispielsweise in einer allgemein parallelen und zueinander beabstandeten Beziehung. Die Metallgitterschicht 34 nach diesem Ausführungsbeispiel kann ferner eine gemeinsame Elektrode beinhalten, die jedes der Gitter miteinander verbindet und sich entlang einer Kante der ersten Teilzelle 12 erstreckt. Zusätzlich kann eine Antireflexionsbeschichtung 36 durch verschiedene Techniken gebildet werden, wie beispielsweise durch thermale Dampfabscheidung, und zwar auf den exponierten Teilen der ersten Teilzelle 12, wie beispielsweise jenen Teilen der ersten Teilzelle, die zwischen den Gittern der Metallgitterschicht 34 in dem Ausführungsbeispiel der 2B exponiert sind.
  • Die resultierende IMM-Solarzelle 10 kann deshalb Solarenergie empfangen und als Antwort hierauf effizient elektrische Energie produzieren. Unter anderem ist die erste und zweite Teilzelle 12 und 14 von der Silizium-Teilzelle 16 beabstandet, beispielsweise durch dazwischenliegende Metall-zu-Metall-Bindungen, die dazu dienen, die verschiedenen Teilzellen elektrisch zu verbinden. Durch den Abstand zueinander sind jedoch die Auswirkungen jeglicher CTE-Fehlanpassung und/oder Gitterfehlanpassung zwischen der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 und der Silizium-Teilzelle 16 reduziert, wenn nicht sogar beseitigt, wodurch die Leistung der resultierenden IMM-Solarzelle 10 verbessert wird. Zusätzlich kann die Silizium-Teilzelle 16 nicht nur als die dritte Teilzelle der IMM-Solarzelle 10 dienen, sondern auch als Träger, um die IMM-Solarzelle vor einem Zerbrechen während der Herstellung und einer anderen Handhabung der IMM-Solarzelle zu schützen. Der Einschluss einer Silizium-Teilzelle 16 innerhalb der IMM-Solarzelle 10 kann auch vorteilhaft sein, derart, dass die Silizium-Teilzelle dünner gemacht werden kann, wie beispielsweise auf 2 bis 5 Millizoll, um das Profil und Gewicht der IMM-Solarzelle zu reduzieren. Zusätzlich kann die Silizium-Teilzelle 16 im Vergleich mit anderen Teilzellen relativ kostengünstig sein, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, und die Silizium-Teilzelle kann als ein Ergebnis des relativ hohen Strahlungswiderstandes der Silizium-Teilzelle eine verbesserte Strahlungsleistung bereitstellen.
  • Die Bandlücke der Silizium-Teilzelle 16 kann höher sein als die optimale Bandlücke für das Einfangen von Solarenergie. Beispielsweise kann die Bandlücke der Silizium-Teilzelle 16 etwa 1,12 eV im Vergleich zu einer optimalen Bandlücke von etwa 1,0 eV für das effiziente Einfangen von Solarenergie betragen. Als ein Ergebnis der Bandlücke der Silizium-Teilzelle 16, die größer ist als die optimale Bandlücke, kann die Silizium-Teilzelle weniger Strom als Antwort auf die Exposition an die gleiche Menge von Solarenergie generieren als eine Teilzelle, die die optimale Bandlücke aufweist. Um die erhöhte Bandlücke und das reduzierte Generieren von Strom zu kompensieren, kann die Silizium-Teilzelle 16 größer sein als die Kombination der ersten und zweiten Teilzellen 12 und 14, beispielsweise in Bezug auf den Oberflächenbereich der jeweiligen Teilzellen, siehe 1. Durch den vergrößerten Oberflächenbereich kann die Silizium-Teilzelle 16 mehr Solarenergie als die erste und zweite Teilzelle 12 und 14 empfangen, was wiederum die Erzeugung von Strom innerhalb der Silizium-Teilzelle erhöht. Somit kann der reduzierte Strom aufgrund der größeren Bandlücke des Silizium-Substrates 16 durch Versehen des Silizium-Substrates mit einem größeren Oberflächenbereich als dem der ersten und zweiten Teilzelle behoben werden, um mehr Solarenergie zu empfangen und wiederum mehr elektrischen Strom zu erzeugen. Während das Silizium-Substrat 16 um verschiedene Beträge größer als die Kombination der ersten und zweiten Teilzelle 12 und 14 gemacht werden kann, ist der Oberflächenbereich der Silizium-Teilzelle nach einem Ausführungsbeispiel etwa 5 Prozent bis 10 Prozent größer als der Oberflächenbereich der ersten und zweiten Teilzelle. Dementsprechend kann die IMM-Solarzelle 10 nach einem Ausführungsbeispiel die Vorteile einer Silizium-Teilzelle 16 bieten, die oben beschrieben sind, während die reduzierte Stromerzeugung aufgrund der höheren Bandlücke der Silizium-Teilzelle effektiv kompensiert wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer invertierten metamorphen Solarzelle mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzelle), das umfasst: Bilden einer ersten Teilzelle (12) auf einem temporären Substrat (30); Bilden einer zweiten Teilzelle (14) auf der ersten Teilzelle (12), wobei die zweite Teilzelle eine kleinere Bandlücke aufweist als die erste Teilzelle; Bilden einer ersten Metallgitterschicht (18), die eine Vielzahl von Gittern aufweist, auf der zweiten Teilzelle (14); Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung (22) auf exponierte Teile der zweiten Teilzelle (14) zwischen Gittern der ersten Metallgitterschicht (18); Bereitstellen einer Silizium-Teilzelle (16); Bilden einer zweiten Metallgitterschicht (20), die eine Vielzahl von Gittern aufweist, auf der Silizium-Teilzelle (16); Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung (24) auf exponierte Teile der Silizium-Teilzelle (16) zwischen Gittern der zweiten Metallgitterschicht (20); Binden der zweiten Teilzelle (14) an die Silizium-Teilzelle (16), derart, dass die Antireflexionsbeschichtung (22) der zweiten Teilzelle (14) der Silizium-Teilzelle (16) gegenüberliegt, wobei das Binden der zweiten Teilzelle (14) an die Silizium-Teilzelle (16) das Schaffen von Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen den ersten und zweiten Metallgitterschicht (18, 20) der zweiten Teilzelle und der Silizium-Teilzelle umfasst; und Entfernen des temporären Substrates (30).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Bilden eines elektrischen Kontaktes (34) auf der ersten Teilzelle nach der Entfernung des temporären Substrates umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner das Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung (28) auf exponierte Teilen der ersten Teilzelle (12) umfasst.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Bereitstellen der Silizium-Teilzelle (16), die einen größeren Bereich als die erste und zweite Teilzelle aufweist, umfasst, derart, dass sich ein peripherer Teil der Silizium-Teilzelle über die erste und zweite Teilzelle hinaus erstreckt.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bilden der ersten Teilzelle (12) das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der ersten Teilzelle umfasst und wobei das Bilden der zweiten Teilzelle das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der zweiten Teilzelle umfasst.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der Silizium-Teilzelle (16) vor dem Binden der zweiten Teilzelle (14) an die Silizium-Teilzelle (16) umfasst.
  7. Verfahren zur Herstellung einer invertierten metamorphen Solarzelle mit Mehrfachübergängen (IMM-Solarzelle), das umfasst: Bilden einer ersten Teilzelle (12), die GaInP aufweist; Bilden einer zweiten Teilzelle (14) aus InxGa1-xAs auf der ersten Teilzelle, wobei 0 ≤ x ≤0,1 ist, und wobei die zweite Teilzelle (14) eine kleinere Bandlücke als die erste Teilzelle (12) aufweist; Bilden einer ersten Metallgitterschicht (18) auf der zweiten Teilzelle (14), wobei die erste Metallgitterschicht eine Vielzahl von Gittern aufweist; Bereitstellen einer Silizium-Teilzelle (16), die eine zweite Metallgitterschicht (20) darauf aufweist, wobei die zweite Metallgitterschicht eine Vielzahl von Gittern aufweist, wobei das Bereitstellen der Silizium-Teilzelle (16) das Bilden der zweiten Metallgitterschicht und das Abscheiden einer Antireflexionsbeschichtung auf exponierten Teilen der Silizium-Teilzelle zwischen Gittern der zweiten Metallgitterschicht umfasst; und Schaffen von Metall-zu-Metall-Bindungen zwischen der ersten und zweiten Metallgitterschicht (18, 20) der zweiten Teilzelle (14) und der Silizium-Teilzelle (16), derart dass eine Vielzahl von Freiräumen zwischen den Gittern der ersten und der zweiten Metallgitterschicht definiert werden, um die zweite Teilzelle und die Silizium-Teilzelle voneinander zu beabstanden.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Bilden der ersten Teilzelle (12) das Bilden der ersten Teilzelle auf einem temporären Substrat (30) von GaAs oder Ge umfasst, und wobei das Verfahren ferner das Entfernen des temporären Substrates nach dem Schaffen der Metall-zu-Metall-Bindungen umfasst.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner das Bilden eines elektrischen Kontaktes (34) auf der ersten Teilzelle nach dem Schaffen von Metall-zu-Metall-Bindungen umfasst.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Bilden der ersten Teilzelle (12) das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der ersten Teilzelle umfasst, wobei das Bilden der zweiten Teilzelle das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der zweiten Teilzelle umfasst, und wobei das Bereitstellen des Silizium-Substrates das Bilden eines N-P-Übergangs innerhalb der Silizium-Teilzelle vor dem Schaffen der Metall-zu-Metall-Bindungen umfasst.
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