DE1564935C3 - Verfahren zum Herstellen eines Solarelementes - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines SolarelementesInfo
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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 Ausgleichsvorgange 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
ίο 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 F i g. 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-leitenden, 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 μιτι dick ist, da der Absorptionskoeffizient
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)
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.
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