DE1564935B2 - Verfahren zum Herstellen eines Solarelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Solarelementes aus mehreren auf einer isolierenden Unterlage angeordneten Halbleiterkörpern mit flächenhaften pn-Übergängen, bei dem jeweils die an die isolierende Unterlage angrenzende Zone eines Halbleiterkörpers mit der dem Licht ausgesetzten Zone eines benachbarten Halbleiterkörpers elektrisch leitend verbunden wird.

Solarelemente oder sogenannte Sperrschichtphotoelemente, die zur Umwandlung der Licht- bzw. der Sonnenenergie in elektrische Energie verwendet werden, sind bereits seit einigen Jahren bekannt. Dabei geht man von einem Halbleiterkörper mit zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aus. Ein derartiger Halbleiterkörper mit einer n- (elektronen-) und einer p-(löcher-) leitenden Zone weist einen Übergangsbereich zwischen den beiden Zonen, den sogenannten pn-Übergang auf. Durch Ausgleichsvorgänge im Halbleiterkörper entsteht im Bereich des pn-Überganges eine Potentialdifferenz. Fällt auf den pn-Übergang Licht- oder Sonnenstrahlung, so entstehen durch Elektronen-Loch-Paarbildung im Halbleiterkörper Ladungsträger, die durch die am pn-übergang herrschende Potentialdifferenz in entgegengesetzten Richtungen über den pn-Übergang fließen. Dadurch wird ein Stromfluß bzw. zwischen den beiden Elektroden an den Zonen des Halbleiterkörpers eine Potentialdifferenz verursacht, so daß bei einer äußeren Belastung ein Strom fließen kann.

Den zur Herstellung von Solarelementen geeigneten Halbleitermaterialien kann eine charakteristische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bei Sonneneinstrahlung zugeordnet werden, so daß die Ausgangsleistung einer Solarzelle nur durch Vergrößerung der Sperrschichtfläche, wodurch bei einer äußeren Belastung ein größerer Strom abgegeben werden kann, zu erhöhen ist

Die bisher bekannten Sperrschicht-Photoelemente bestehen, soweit sie von einkristallinem Halbleitermaterial ausgehen, aus einem Halbleiterkörper mit einer p- und einer η-Zone, wobei die eine Zone mit einem Metallkontakt versehen ist, der die ganze Oberflächenseite bedeckt. Die dem Licht ausgesetzte Zone des Halbleiterkörpers wird an der Oberfläche mit einer kammartig ausgeführten, metallischen Streifenstruktur kontaktiert. Damit erreicht man, daß die vom Kontaktmaterial bedeckte Fläche des Halbleiterkörpers gegenüber der von der Strahlung getroffenen Fläche nicht allzu groß wird.

Weiterhin sind sogenannte Dünnschichtsolarzellen bekannt geworden, die aus dünnen, polykristallinen, meist aufgedampften Schichten eines Verbindungshalbleiters, beispielsweise aus Kadmiumsulfid bestehen. Bei diesen Photoelementen gestaltet sich die Anbringung von Kontakten sehr schwierig, da die n- und die p-Zonen sehr dünn sind und daher die elektrischen Widerstände in diesen Zonen eine verlustlose Abführung der Photoströme nicht mehr zulassen. Die kamm- bzw. netzförmigen Kontakte auf der der Strahlung ausgesetzten Oberfläche der Photozellen müssen daher sehr engmaschig ausgeführt werden. Außerdem müssen die metallischen Leitbahnen relativ breit sein, um ihren Widerstand klein zu halten. Dies gilt besonders für die bekannten, großflächigen Dünnschichtphotoelemente, die bei einer Fläche von 50 χ 50 mm und mehr Photoströme von nahezu einem Ampere bei einer Spannung von 0,5 Volt liefern können.

Für Solarzellen-Batterien mit großer Ausgangsspannung werden mehrere der beschriebenen Solarelemente hintereinandergeschaltet; bevorzugt man einen großen Ausgangsstrom, so werden diese parallel geschaltet

Durch die FR-PS 14 23 414 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem Solarzellen mit Hilfe von maschenartigen Verbindungselementen miteinander verschaltet werden. Dabei werden rechteckige Solarzellen zu streifenförmigen Zeilen zusammengesetzt. Die Solarzellen werden nach der Lehre dieser Entgegenhaltung einzeln gefertigt und erst nachträglich verschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung anzugeben, das die Herstellung von mehreren Solarzellen sowie die gegenseitige Kontaktierung in gemeinsamen Verfahrensschritten ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß auf die elektrisch isolierende Unterlage Metallstreifen und teilweise auf diese Metallstreifen und auf die isolierende Unterlage streifenförmige Halbleiterkörper aufgedampft werden, wobei durch Zusetzung eines Dotierungsmaterials zur Aufdampfsubstanz ein pn-Übergang in den streifenförmigen Halbleiterkörpern hergestellt wird, und daß anschließend auf den von den streifenförmigen Halbleiterkörpern nicht bedeckten Teil der Metallstreifen, auf die isolierende Unterlage zwischen den einzelnen streifenförmigen Halbleiterkörpern und auf Teile der dem Licht ausgesetzten Zone der streifenförmigen Halbleiterkörper derart ein weiterer Metallbelag aufgedampft wird, daß die einzelnen streifenförmi-

gen Halbleiterkörper elektrisch hintereinander geschaltet werden.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie die Herstellung einer Vielzahl bereits miteinander verschalteter Solarzellen in einfacher Weise ermöglicht, so daß der bisher übliche Fertigungsaufwand bei der Herstellung von Solarbatterien weitgehend entfällt. Die Verbindung zwischen den einzelnen Halbleiterkörpern auf der isolierenden Unterlage wird vorteilhafterweise durch aufgedampfte Leitbahnen hergestellt. Durch die Zahl der Halbleiterkörper, die sich auf der isolierenden Unterlage befinden und hintereinandergeschaltet sind, wird die Ausgangsspannung des Solarelementes bestimmt, während durch die Größe der vom Licht bestrahlten Fläche der einzelnen Halbleiterkörper die Stromstärke bestimmt wird. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können nun durch Zahl und Größe der Halbleiterkörper auf der isolierenden Unterlage die Kenndaten des Solarelementes variiert werden.

Das Halbleitermaterial für die Halbleiterkörper kann aus aufgedampften, polykristallinen Substanzen bestehen, mit denen eine sogenannte Dünnschichtsolarzelle hergestellt wird. Die dazu geeigneten Materialien, wie beispielsweise Indiumphosphid oder Kadmiumsulfid, haben einen wesentlich größeren Absorptionskoeffizienten als beispielsweise Silizium, so daß der Abstand zwischen der bestrahlter Oberfläche des Halbleiterkörpers und dem pn-übergang extrem klein gewählt werden kann. Da die genannten Halbleitermaterialien aufgedampft werden, ist die Herstellung eines Solarelementes mit dem Verfahren nach der Erfindung sehr einfach. Dazu werden beispielsweise auf die isolierende Unterlage teilweise an den Stellen, an denen anschließend das Halbleitermaterial aufzudampfen ist, Metallbeläge aufgebracht, die voneinander isoliert sind. Das Halbleitermaterial wird dann auf diese Metallbeläge so aufgedampft, daß ein Teil der Metallschichten von dem Halbleitermaterial unbedeckt bleibt. Auf diese unter der Halbleiterschicht hervorragenden Metallbeläge wird später eine weitere Metallschicht aufgedampft, durch die die einzelnen Halbleiterkörper hintereinandergeschaltet werden. Die Halbleiterkörper selbst können streifen- oder ringförmig ausgebildet werden. Da bei der Hintereinanderschaltung der einzelnen Halbleiterkörper auf der isolierenden Unterlage nur ein Strom mit relativ kleiner Stromstärke erzeugt wird, können die stromführenden Leitbahnen schmal gehalten werden, so daß nur ein sehr kleiner Teil der vom Licht bestrahlten Oberfläche von Leitbahnen bedeckt und daher für die Stromerzeugung ungenutzt bleibt. Es ist auch möglich, die Halbleiterkörper nicht an der bestrahlten Oberfläche, sondern an einer der Seitenflächen zu kontaktieren, so daß die gesamte, dem Licht ausgesetzte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt und somit ein großer Wirkungsgrad des Solarelementes erzielt wird.

Die Erfindung wird im weiteren noch an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen in einer perspektivischen Ansicht verschiedene Fertigungsphasen eines mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Solarelementes.

Nach F i g. 1 werden auf eine isolierende Unterlage 1 aus Glas, Kunststoff, Keramik oder einem anderen geeigneten Stoff Metallstreifen 2 aufgedampft. Diese Metallstreifen bestehen beispielsweise aus einer Indium-Silberlegierung oder aus einem anderen, an den Ausdehnungskoeffizienten der Unterlage und des Halbleitermaterials angepaßten, gut leitenden Material. Zur Aufdampfung der Metallstreifen wird eine Metallmaske verwendet, die auf die Unterlage aufgelegt und dort mit Aussparungen versehen ist, wo sich das Metall auf der Oberfläche der isolierenden Unterlage niederschlagen soll.

Selbstverständlich können bei diesem Fertigungsschritt und auch bei den nachfolgenden Aufdampfprozessen andere Masken, wie beispielsweise Photomasken, verwendet werden, doch erspart man sich durch die Verwendung der Metallmasken die zeitraubenden und teuren Ätz- und Maskierungsprozesse.

Wie in Fig.2 dargestellt ist, werden anschließend streifenförmige Halbleiterkörper 3 auf die Unterlage aufgedampft. Die hierzu erforderliche Metallmaske wird so auf die bereits auf der Unterlage befindlichen Metallstreifen einjustiert, daß ein Teil 4 des Metallbelages von den streifenförmigen Halbleiterkörpern unbedeckt bleibt. Die Breite der Halbleiterstreifen richtet sich nach deren auf der Unterlage unterzubringenden Anzahl und nach der erwünschten Stromstärke, die das fertige Solarelement liefern soll. Die aufgedampften Halbleiterkörper bestehen vorteilhafterweise aus n-leitendem Indiumphosphid oder Kadmiumsulfid. Zur Herstellung einer p-leitenden, dem Licht ausgesetzten Zone 5 (F i g. 3) wird das Dotierungsmaterial der verdampften Halbleitersubstanz kurz vor dem Abbruch des Aufdampfvorganges zugesetzt, so daß sich auf dem η-leitenden Halbleiterkörper 3 eine p-leitende, dünne Zone 5 bildet. Durch entsprechende Einjustierung der bei dem Aufdampfprozeß verwendeten Maske kann dafür gesorgt werden, daß ein an einer der beiden Seitenflächen eines streifenförmigen Halbleiterkörpers liegender Teil 6 der dem Licht ausgesetzten Zone 5 gleichfalls p-dotiert ist, so daß der pn-übergang im Halbleiterkörper abgewinkelt ist. Dies erzielt man beispielsweise dadurch, daß bei der Herstellung der p-dotierten Zone die öffnungen der dabei verwendeten Maske mit dem linken Rand der Halbleiterstreifen abschließen, während sie über dessen rechten Rand hinausragen. Auch durch seitliche Aufdampfung des p-dotierten Materials kann diese Wirkung erzielt werden. Als Dotierungsmaterial eignet sich beispielsweise Zink für Indiumphosphid oder Kupfer für Kadmiumsulfid. Außer den genannten Dotierungsmaterialien können auch noch andere Metalle Verwendung finden.

Nach der Herstellung des pn-Überganges in den einzelnen Halbleiterstreifen stellen diese einzelne Solarelemente dar, die durch Hintereinanderschaltung zu einem Gesamtelement verbunden werden. Dazu wird nun auf die bisherige Anordnung ein weiterer, strukturierter Metallbelag 7 (F i g. 4) aufgedampft, durch den jeweils die η-leitende Zone des einen streifenförmigen Halbleiterkörpers 3 mit der p-leitenden, dem Licht ausgesetzten Zone 5 des benachbarten Halbleiterstreifens elektrisch leitend verbunden wird. Werden alle Halbleiterstreifen derart hintereinandergeschaltet und das so entstandene Element an den beiden Enden mit den Elektrodenanschlüssen 8 und 9 versehen, so steht ein Solarelement zur Verfügung, das mehrere Volt Ausgangsspannung aufweist und in der Lage ist, einige mA. Strom an eine angeschlossene Last abzugeben. Wie in der F i g. 4 dargestellt ist, endet der Metallbelag 7, durch den die einzelnen streifenförmigen Halbleiterkörper hintereinandergeschaltet werden, jeweils auf der vom einfallenden Licht 10 bestrahlten Oberfläche der oberen, im Ausführungsbeispiel p-dotierten Zone 5. Der Oberflächenbereich, der von dem Metallbelag 7

dabei bedeckt wird, ist weit schmäler als dies in der Zeichnung dargestellt werden kann, so daß nahezu die gesamte vom Licht bestrahlte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt. Da ein Teil 6 der p-!eitenden, dem Licht ausgesetzten Zone 5 sich jedoch auch über eine Seitenfläche erstreckt, reicht es aus, wenn der Metallbelag 7 nur diese Seitenfläche kontaktiert, so daß die gesamte, vom Licht bestrahlte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt und so ein großer Wirkungsgrad erzielt wird.

Die streifenförmigen Halbleiterkörper aus polykristallinem Material sind in der Regel einige μπι dick, wobei allerdings die vom Licht bestrahlte Zone weniger als ein μηι dick ist, da der Absorptioriskoeffizient der angeführten Halbleitermaterialien sehr groß ist.
In dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 4 ist ein Solarelement dargestellt, das sich aus parallel zueinander verlaufenden Halbleiterstreifen zusammensetzt. Diese einzelnen Halbleiterkörper können selbstverständlich auch in anderer Form und Anordnung auf der ίο isolierenden Unterlage verteilt und hintereinandergeschaltet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Solarelementes aus mehreren auf einer isolierenden Unterlage angeordneten Halbleiterkörpern mit flächenhaften pn-Übergängen, bei dem jeweils die an die isolierende Unterlage angrenzende Zone eines Halbleiterkörpers mit der dem Licht ausgesetzten Zone eines benachbarten Halbleiterkörpers elektrisch leitend verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die elektrisch isolierende Unterlage (1) Metallstreifen (2) und teilweise auf diese Metallstreifen und auf die isolierende Unterlage streifenförmige Halbleiterkörper (3) aufgedampft werden, wobei durch Zusetzung eines Dotierungsmaterials zur Aufdampfsubstanz ein pn-Übergang in den streifenförmigen Halbleiterkörpern hergestellt wird, und daß anschließend auf den von den streifenförmigen Halbleiterkörpern nicht bedeckten Teil (4) der Metallstreifen (2), auf die isolierende Unterlage (1) zwischen den einzelnen streifenförmigen Halbleiterkörpern und auf Teile (6) der dem Licht ausgesetzten Zone (5) der streifenförmigen Halbleiterkörper derart ein weiterer Metallbelag (7) aufgedampft wird, daß die einzelnen streifenförmigen Halbleiterkörper elektrisch hintereinandergeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufdampfung der Metallbeläge und des Halbleitermaterials auf die isolierende Unterlage Metallmasken verwendet werden.