DE19652818A1 - Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle sowie Solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und betrifft weiter eine Solarzelle entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Regenerative Energien gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dabei kommt der Photovoltaik eine Schlüsselrolle zu, da es mit ihr möglich ist, Sonnenlicht unmittelbar in elektrischen Strom umzuwandeln, der vielseitig einsetzbar ist. Die derzeit übliche Herstellung von Solarzellen ist außerordentlich aufwendig, was mit dazu beiträgt, daß Solarstrom bisher nur von untergeordneter Bedeutung ist.

Bei einem üblichen Herstellverfahren wird stabförmiges Halbleitermaterial, meist monokristallines oder polykristallines Silizium, in dünne Scheiben geschnitten, die den Grundkörper der in weiteren Verfahrensschritten hergestellten Solarzelle bilden. Das Schneiden dieser Scheiben ist werkzeugseitig sehr aufwendig, erfordert eine hohe Präzision und ist mit großen Materialverlusten behaftet. Die geschnittenen Scheiben, deren Dicke im Bereich von zehntel Millimetern und darunter liegt, müssen sehr sorgfältig behandelt werden, da sie spröde sind.

Bei einem anderen Verfahren werden 10 bis 50 µm dicke Schichten aus amorphem Silizium oder einem anderen halbleitenden Material auf einem Träger abgeschieden, aus dem dann in weiteren Verfahrensschritten (Herstellen der Sperrschicht durch entsprechendes Dotieren, Kontaktieren usw.) die Solarzelle hergestellt wird. Der Wirkungsgrad solcher Dünnschichtsolarzellen ist im allgemeinen geringer als der monokristalliner Solarzellen, jedoch ist der Verbrauch an Halbleitermaterial je erzeugter Energieeinheit geringer.

Keines der bisher bekannten Verfahren hat zu ausreichend kostengünstigen Solarzellen geführt, die dem umweltfreundlichen Solarstrom zum Durchbruch verhelfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von Solarzellen zu schaffen und eine kostengünstige Solarzelle bereitzustellen.

Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht mehr erforderlich, Halbleitermaterial unter großen Verlusten aus teurem, stabförmigem Ausgangsmaterial zu schneiden oder als amorphe Halbleiterschicht auf einem Träger abzuscheiden; vielmehr kann Halbmaterial in einer zur Herstellung von Solarzellen geeigneten Reinheit in einfacher Weise zu Pulver zerkleinert werden, das Pulver dann erhitzt werden und in einer Sinterform zu der Halbleiterschicht gesintert werden. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß solche gesinterten Halbleiterschichten nach der üblichen Herstellung einer Sperrschicht durch Dotieren sowie gegebenenfalls der üblichen weiteren Arbeitsschritte, wie Kontaktieren, Aufbringen auf einen Träger sowie Versehen mit Schutzschichten, bei günstigen Herstellkosten einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad haben.

Das zu pulverisierende und dann zu sinternde Halbleitermaterial kann jedwelches übliche Halbleitermaterial sein, das sich für die Sinterung eignet. Mit Vorteil ist das Halbleitermaterial hochreines Silizium.

Bevorzugt wird das Halbleitermaterial bereits vor dem Sintern dotiert, beispielsweise durch Zugabe von As n-leitend, so daß die gesinterte Halbleiterschicht zur Herstellung der Sperrschicht nur noch mit einem dreiwertigen Material, beispielsweise Bor, gedopt werden muß.

Die Unteransprüche 4 bis 7 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.

Der Anspruch 8 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Solarzelle zur Lösung des zweiten Teils der Erfindungsaufgabe, die mit den Merkmalen des Anspruchs 9 weitergebildet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Sinterpresse,

Fig. 2 eine vergrößerte Detailschnittansicht der Unterseite des Stempels der Sinterform gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte ausschnittsweise Ansicht von unten des Stempels der Sinterform gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Solarzelle.

Gemäß Fig. 1 weist eine Sinterpresse eine Grundform 2 und einen Stempel 4 auf. In die Grundform 2 ist eine Metallplatte 6, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, versilbertem Kupfer, versilbertem, gehärteten Stahl usw. eingelegt, mit einer Dicke beispielsweise im Millimeterbereich oder darunter. Über der Metallplatte 6 befindet sich ein Pulver 8 aus halbleitendem Material, beispielsweise hochreinem Solarsilizium.

In den Sinterraum zwischen Stempel 4 und Grundform 2 führt eine Entlüftungsleitung 10. Der gesamte Sinterraum ist durch eine innerhalb der Grundform 2 oder des Stempels 4 ausgebildete Heizeinrichtung (nicht dargestellt) auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizbar. Zum Sintern wird in an sich bekannter Weise das Pulver 8 innerhalb der Sinterpresse auf eine Temperatur deutlich unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvers und der Metallplatte 6 erwärmt und durch Abwärtsbewegen des Stempels 4 unter hohem Druck gesintert.

Es entsteht eine Halbleiterschicht aus gesintertem Material, die mit der Metallplatte 6 fest verbunden ist und den Grundkörper einer herzustellenden Solarzelle bildet. Es versteht sich, daß zur sicheren Verbindung zwischen dem gesinterten Halbleitermaterial und der Metallplatte 6 unterschiedlichste weitere Maßnahmen vorgenommen werden können, beispielsweise die Metallplatte 6 mit leitfähiger Klebepaste beschichtet werden kann usw.

Die Prozeßgrößen, wie Sinterdruck und Sintertemperatur sowie Vorschub des Stempels 4 werden in geeigneter Weise gewählt, so daß einerseits die Metallplatte 6 erhalten bleibt und andererseits eine sichere und einwandfreie Sinterung des Pulvers 8 zu einer Halbleiterschicht mit einer Dicke entsteht, die im Bereich der Halbleiterschichtdicken üblicher Solarzellen liegt, beispielsweise zwischen 10 µm und einem Millimeter.

Vorteilhafterweise wird das Pulver 8 vor dem Sintern n- oder p-leitend dotiert, so daß nach Herausnahme des Grundkörpers aus der Sinterpresse durch weiteres, umgekehrtes Dotieren die Sperrschicht ausgebildet werden kann.

Die Metallplatte 6 bildet sowohl eine großflächige elektrische Kontaktierung für die Halbleiterschicht 12 (Fig. 4) als auch einen Träger für diese Halbleiterschicht 12, die zu einer stabilen und leicht handhabbaren Solarzelle führt. Von der Metallplatte 6 geht ein beispielsweise mit ihr verlöteter Kontakt 14 ab, an den eine Leitung anschließbar ist. Auf die Halbleiterschicht 12 wird in an sich bekannter Weise eine kammartige Leitschicht aufgebracht, die nur möglichst geringe Flächenbereiche der Halbleiterschicht 10 überdeckt, damit eine möglichst große Fläche zur Bestrahlung der kurz unterhalb der Oberfläche angeordneten Sperrschicht freiliegt. Von der kammartigen Leitschicht geht ein weiterer Kontakt 16 ab, der an eine weitere elektrische Anschlußleitung anschließbar ist.

Es versteht sich, daß mannigfaltige Ausführungsformen und Abänderungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels möglich sind. Beispielsweise können rund um den Sinterraum herum Entlüftungsleitungen 10 angeordnet sein, die mit einer Saugpumpe verbunden sind, so daß beim Sintern etwaige Luft sicher abgesaugt wird und nicht zu Lufteinschlüssen führt.

Des weiteren kann die Metallplatte 6 vollständig fehlen, so daß der Grundkörper der Solarzelle lediglich aus dem gesinterten Halbleiterplättchen besteht, das ähnlich wie herkömmliche ausgesägte Siliziumscheiben zur vollständigen Solarzelle weiterverarbeitet wird.

Für den Wirkungsgrad der Solarzelle ist es vorteilhaft, die Oberfläche der mit Licht zu bestrahlenden Seite der Halbleiterschicht 12 (Fig. 4) zu vergrößern, indem beispielsweise in die Unterseite des Stempels 4 eine Riffelung, Rasterung oder ähnliches eingearbeitet ist, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Riffelung 18 ist in der gezeigten Detailschnittansicht der Unterseite des Stempels 4 sägezahnförmig, wobei die Sägezahnform durch den Schnitt einzelner in der Unterseite des Stempels 6 ausgebildeter Pyramiden 20 entsteht, deren Spitzen in der in Fig. 3 gezeigten ausschnittsweisen Untenansicht des Stempels 4 durch Punkte angedeutet sind. Die Riffelung der Unterseite des Stempels 4 bildet sich beim Sintern in der Oberseite der Halbleiterschicht 12 (Fig. 4) ab, so daß diese aus einzelnen Pyramiden besteht, die die aufgenommene Lichtmenge günstig beeinflussen. Es versteht sich, daß zusätzliche Antireflexschichten, Schutzschichten usw. aufgebracht werden können.

Mit Vorteil kann die Unterseite des Stempels 4 derart ausgebildet werden, daß die Riffelung nur dort vorhanden ist, wo später keine kammartige Leitschicht zur Kontaktierung der freiliegenden Oberfläche der Halbleiterschicht 12 ausgebildet werden soll.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einer Halbleiterschicht (12), innerhalb der in Dickenrichtung eine p-n Sperrschicht vorhanden ist, die wenigstens von einer Seite aus mit Licht bestrahlbar ist, und mit Kontakten (14,16) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschicht auf je einer Seite der p-n Sperrschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht hergestellt wird, indem Halbleitermaterial zu Pulver (8) zerkleinert wird, das Pulver erhitzt wird und in einer Sinterpresse (2, 4) zu der Halbleiterschicht (10) gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial hochreines Silizium verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial vor dem Sintern dotiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bestrahlung mit Licht vorgesehene Oberfläche der Halbleiterschicht mit einer Riffelung ausgebildet wird, indem die Sinterform (2, 4) mit einer entsprechend gestalteten Innenfläche (18) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Riffelung (18) durch Pyramiden (20) gebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (12) auf eine in die Sinterform (2, 4) eingelegte Metallplatte (6) aufgesintert wird, die eine Kontaktierung der Halbleiterschicht bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (6) derart dimensioniert ist, daß sie eine Tragstruktur für die Halbleiterschicht (12) bildet.

8. Solarzelle, enthaltend eine Halbleiterschicht (12) mit einer p-n Sperrschicht in Dickenrichtung und mit je einem Kontakt (14, 16) auf jeder Seite der Sperrsicht zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (12) aus gesintertem Halbleitermaterial besteht.

9. Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (12) auf eine Metallplatte (6) gesintert ist, an die einer der elektrischen Kontakte angeschlossen ist.