DE19602313A1

DE19602313A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE19602313A1
Application number: DE19602313A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Einziger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-07-24

Description

Solarzellen sollen einfallendes Sonnenlicht mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandeln und kostengün stig herzustellen sein. In der Vergangenheit lag der Schwer punkt der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit im Bereich der Verbesserung und Optimierung der Fertigungstechnologien, um die Produktionskosten zu senken. Erst Anfang der achtziger Jahre setzte sich die Erkenntnis durch, daß auch der Wir kungsgrad der Solarzellen den Preis einer aus Solarmodulen, Gestellen, Rahmen, Abdeckungen usw. bestehenden photovol taischen Großanlage erheblich beeinflußt. So sind der größte Teil der Kosten solcher Anlagen der benötigten Kollektorflä che proportional, dem Wirkungsgrad der Solarzellen demzufolge umgekehrt proportional.

Stand der Technik

Die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen hat in den letz ten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. So liegen die derzeit höchsten im Labor erreichten Wirkungsgrade nichtkon zentrierender monokristalliner Si-Solarzellen im Bereich von etwa 20%-24% ([1]-[3]). Erreicht wird dies durch eine Reihe von Maßnahmen, welche die optischen Verluste (Reflexionen an der Oberfläche, Abschattung durch die Kon taktelektrode, unvollständige Absorption im infraroten Spek tralbereich) sowie die elektrischen Verluste (Rekombination der erzeugten Ladungsträger im Volumen und an den Oberflä chen, ohmsche Verluste in den Kontaktelektroden, im Halblei ter und im Übergangsbereich Halbleiter-Metall) minimieren. Während man die Abschattungs- und Reflexionsverluste durch Verwendung sehr feiner Frontgitterstrukturen, prismatischer Deckfolien, Antireflexionsschichten und/oder strukturierten Oberflächen sowie hochspiegelnden Basiskontakten vergleichs weise einfach verringern kann, bereitet die Reduktion der Re kombinationsverluste an den Oberflächen größere technolo gische Schwierigkeiten. So muß die Rekombinationsgeschwin digkeit an der Vorderseite einer Si-Solarzelle unter S ≈ 100 cm/s, an der Rückseite deutlich unter S ≈ 1000 cm/s liegen, um einen Wirkungsgrad 20% zu erreichen ([2]).

In der aus [2] oder [3] bekannten monokristallinen Si-Solar zelle wird die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträ ger durch eine SiO₂-Passivierung der beleuchteten Substrat oberfläche auf Werte S 100 cm/s verringert. Auch die Rück seite der Solarzelle ist mit einer nur an den Kontaktpunkten der Basiselektrode unterbrochenen Passivierung versehen, wo bei ein durch Eindiffundieren von Dotierstoffen erzeugtes Lo cal Back Surface Field (LBSF) die Rekombination der Ladungs träger an der Grenzfläche Halbleiter-Metall behindert. An der rückseitigen Oberfläche der Solarzelle erreicht man mit die ser Technik Rekombinationsgeschwindigkeiten von etwa S ≈ 500 cm/s.

Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer vergleichsweise einfach aufgebauten Solarzelle, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die der Unterdrückung der Oberflächenrekombination der Ladungsträger dienenden Elemente sollen mit den in der Produktion konventioneller Solarzellen angewandten Technolo gien und Verfahren kostengünstig hergestellt werden können. Eine Solarzelle mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merk malen besitzt diese Eigenschaften. Ausgestaltungen und Wei terbildungen der Solarzelle sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorgeschlagene Solarzelle ist mit einer extern ans teuer baren Feldelektrode ausgestattet, welche die Rekombination der Ladungsträger an der rückseitigen Oberfläche des Halblei terkörpers nahezu vollständig unterdrückt. Durch eine ent sprechend ausgebildete, allerdings transparente Feldelektrode gelingt es, auch die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger an der bestrahlten Vorderseite deutlich zu ver ringern (S ≈ 50 cm/s). Aufgrund der in flachen Strukturen do minierenden Oberflächeneffekte läßt sich mit der Erfindung insbesondere der Wirkungsgrad sehr dünner Wafer-Solarzellen deutlich verbessern, ohne die Kosten für deren Herstellung wesentlich zu erhöhen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Solarzelle mit einer rückseitigen MIS-Struktur zur Unterdrückung der Ladungsträgerrekombination an der Basisoberfläche;

Fig. 2 eine Solarzelle mit beidseitiger MIS-Struktur zur Un terdrückung der Ladungsträgerrekombination an der Emitter- und Basisoberfläche.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Solarzelle mit rückseitiger MIS-Struktur

Bei der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten Si-Solarzelle handelt es sich im Prinzip um eine großflächige Diode, die eine dem Sonnenlicht ausgesetzte, n-leitende Schicht 1 als Emitter (d_E ≈ 0,1-0,3 µm) und eine p-leitende Schicht 2 als Basis (d_B ≈ 80-300 µm) aufweist. Setzt man die Solarzelle elektromagnetischer Strahlung aus, erhöht sich als Folge der durch Absorption der Photonen erzeugten Elektronen-Lochpaare die Konzentration der jeweiligen Minoritätsladungsträger im Emitter 1 und in der Basis 2 um mehrere Größenordnungen. Diese Konzentrationsunterschiede führen zu entsprechend ge richteten Diffusionsströmen der Minoritätsladungsträger, wo bei das im Bereich des pn-Übergangs herrschende Raumladungs feld die aus dem Emitter 1 eindiffundierenden Löcher in Rich tung des gitter- oder fingerförmig ausgebildeten Al-Kontaktes 5, die aus der Basis 2 eindiffundierenden Elektronen in Rich tung des frontseitigen Kontaktes 4 (Ag oder Schichtenfolge: Ti/Pd/Ag) beschleunigt. Am Ausgang der bestrahlten Solarzelle baut sich so die Potentialdifferenz U_solar auf. Eine ein- oder mehrlagige Antireflexionsschicht 6 deckt nahezu die ge samte Oberfläche des Emitters 1 ab. Die einlagige Antirefle xionsschicht 6 kann beispielsweise aus Titandioxid (TiO₂) oder Tantaloxid (Ta₂O₅); die zweilagige Antireflexionsschicht 6 aus Titandioxid/Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen.

Die zwischen den Stegen bzw. Fingern des Kontaktes 5 auf ei ner Isolatorschicht (TiO₂, SiO₂, Si₃N₄) der Dicke d ≈ 20-100 nm angeordnete und mit einer Spannungsquelle 8 (U^r _Feld ≈ 1-10 V) verbundene Al-, Au-, Ag- oder Pd-Elektrode 9 (d ≈ 100 nm) soll die Rekombination der Elektronen-Loch paare an der rückseitigen Oberfläche der Solarzelle weitge hend unterdrücken. Sie liegt auf einem negativen Potential, so daß das an der Grenzfläche Halbleiter 2/Isolator 7 aufge baute E-Feld die dort erzeugten bzw. in den Feldbereich ein diffundierenden Elektronen in Richtung pn-Übergang 3 zurück treibt, die Löcher hingegen zum rückseitigen Kontakt 5 be schleunigt. Die Aufrechterhaltung des elektrischen Feldes erfordert nur eine sehr kleine Leistung, wobei insbesondere ein Solarmodul die Feldspannung U^r _Feld erzeugt. Durch eine Re gelung kann man die Feldspannung U^r _Feld zudem stets im Optimum des Wirkungsgrads der Solarzelle halten.

Solarzelle mit beidseitiger MIS-Struktur

Die in Fig. 2 dargestellte Solarzelle unterscheidet sich im wesentlichen nur durch eine zwischen den Stegen bzw. Fingern des frontseitigen Kontaktes 4 auf einer TiO₂-, SiO₂- oder Si₃N₄-Isolatorschicht 7 angeordnete zweite Feldelektrode 10 von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Diese mit ei ner insbesondere wieder regelbaren Spannungsquelle 11 (U^f _Feld ≈ 1-10 V) verbundene Elektrode 10 besteht aus einem im sichtbaren Spektralbereich transparenten, elektrisch leit fähigen Material (dotiertes SnO₂, ZnO). Da sie auf einem positiven Potential liegt, baut sich an der Grenzfläche Halbleiter 2/Isolator 7 ein elektrisches Feld auf, das die dort erzeugten bzw. in den Feldbereich eindiffundierenden Lö cher in Richtung des pn-Übergangs 3 zurücktreibt, die Elek tronen hingegen zum frontseitigen Kontakt 4 beschleunigt. Große Bereiche der Emitteroberfläche lassen sich auf diese Weise rekombinationsfrei halten.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. So kann man die der Unterdrückung der Oberflächenrekombination von Elektron- Lochpaaren dienenden Elektroden 9/10 auch in polykristallinen oder amorphen Si-Solarzellen, in Dünnschichtsolarzellen, Tan demsolarzellen und anderen Solarzellen einsetzen, wo sich die Raumladungszone im Bereich einer np-, pn- oder pin-Struktur, im Bereich eines sogenannten Heteroübergangs oder im Bereich eines Metall-Halbleiterkontaktes ausbildet.

Literatur

[1] M.A. Green et al.: "23% Efficient Silicon Solar Cell" Proceedings of the 9. E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Freiburg 1989; Kluwer Academic Publishers S. 301-304.

[2] J. Knobloch, W. Wettling; "Hocheffiziente Si-Solarzellen" in D. Meissner (Hrsg.); "Solarzellen"; Vieweg, Wies baden 1993; S. 164-175.

[3] Proceedings of the 9. E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Freiburg 1989; Kluwer Academic Publishers S. 777-780.

Claims

1. Solarzelle mit einem eine Diodenstruktur aufweisenden Halbleiterkörper (1, 2) und zwei ohmschen Kontakten (4, 5) zum Sammeln der im Halbleiterkörper (1, 2) durch einfallende elektromagnetische Strahlung erzeugten und in einer Raumla dungszone getrennten Ladungsträger eines ersten und eines zweiten Types, gekennzeichnet durch eine einem ersten ohmschen Kontakt (5) zugeordnete und mit einer ersten Spannungsquelle (8) verbundenen ersten Elektrode (9), wobei die erste Elektrode (9) auf dem Halbleiterkörper (1, 2) isoliert angeordnet und mit einem ersten Potential derart beaufschlagt ist, daß das im Halbleiterkörper (1, 2) aufgebaute erste elektrische Feld Ladungsträger des ersten Types in Richtung des ersten ohmschen Kontaktes (5), Ladungs träger des zweiten Types in Richtung der Raumladungszone be schleunigt.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dem zweiten ohmschen Kontakt (4) zugeordnete und mit ei ner zweiten Spannungsquelle (11) verbundenen zweiten Elek trode (10), wobei die zweite Elektrode (10) auf dem Halblei terkörper (1, 2) isoliert angeordnet und mit einem zweiten Potential derart beaufschlagt ist, daß das im Halbleiterkör per (1, 2) erzeugte zweite elektrische Feld Ladungsträger des zweiten Types in Richtung des zweiten ohmschen Kontaktes (4), Ladungsträger des ersten Types in Richtung der Raumladungs zone beschleunigt.

3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Kontakte (4, 5) finger- oder gitterförmig ausgebildet sind und daß die den ohmschen Kontakten (4, 5) jeweils zugeordneten Elektroden (9, 10) auf der vom ohmschen Kontakt (4, 5) nicht abgedeckten Oberfläche des Halbleiter körpers (1, 2) auf einer Isolatorschicht (7) angeordnet sind.

4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Elek trode (10) aus einem elektrisch leitenden, transparenten Ma terial besteht.

5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung ausgesetzte Oberfläche des Halbleiterkörpers (1, 2) mit einer ein- oder mehrlagigen Antireflexionsschicht (6) versehen ist.