DE19715138A1 - Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von in Serie bzw. Reihe geschalteten Einzel-Solarzellen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von in Serie bzw. Reihe geschalteten Einzel-Solarzellen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung einer Anordnung von in Serie bzw. Reihe ge­ schalteten Einzel-Solarzellen und insbesondere von soge­ nannten Dünnschichtsolarzellen mit einseitiger Kontak­ tierung.
Stand der Technik
Halbleiterschichten auf einer isolierenden Unterlage, die auch als Träger oder Substrat bezeichnet wird, wer­ den in den unterschiedlichsten Weisen zu Solarzellen und insbesondere zu sogenannten Dünnschichtsolarzellen ver­ arbeitet. Charakteristisch für Dünnschichtsolarzellen ist eine schichtweise Anordnung verschiedener Materiali­ en, die als Kontakte oder als photoaktive Halbleiterbe­ reiche dienen.
Im folgenden soll der Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis beschrieben werden, auf den im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht im einzelnen beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine einfache bekannte An­ ordnung für eine Dünnschichtsolarzelle, wobei die Dimen­ sionen nicht maßstabsgerecht sind. Das Substrat kann bei diesem Beispiel für eine bekannte Solarzelle beispiels­ weise eine Glasscheibe sein. Die Schichtanordnung der eigentlichen Solarzelle beginnt mit einer Kontakt­ schicht, die insbesondere eine Metallkontakt sein kann. Auf der Kontaktschicht folgen zwei n- bzw. p-dotierte Halbleiterschichten, die den aktiven p-n-Übergang (Emit­ ter/Basis-Übergang) bilden; auf dieser Anordnung ist ein weiterer Kontakt (Vorderseitenkontakt) vorgesehen.
Einer der Kontakte muß den Eintritt von Licht in den Halbleiterkörper ermöglichen. In dem gezeigten Fall ist dies der obere Kontakt (Vorderseitenkontakt), der in Streifenform ausgebildet ist; insbesondere kann dieser Kontakt in einer sogenannten Grid-Struktur ausgeführt sein. Alternativ kann er aber auch als geschlossene Schicht ausgebildet sein, wenn als Kontaktmaterial ein leitfähiges durchsichtiges Oxid benutzt wird.
Dünnschichtstrukturen der vorstehend erläuterten Art werden vorzugsweise großflächig, d. h. bis zu etwa 1m2 aufgebracht durch aufeinanderfolgendes Abscheiden der verschiedenen Schichten. Wegen der geringen von einer Solarzelle gelieferten Spannung von 0,5 V bis 1,2 V werden in der Regel mittels einer speziellen Strukturierung der Schichten viele Einzelzellen auf der Fläche hergestellt, die mittels einer Serienschaltung so zu verbunden wer­ den, daß eine höhere Gesamtspannung resultiert.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt einer solchen Anordnung, bei der drei Einzelzellen in Serie geschaltet sind. Eine solche Struktur ist aus der DE-A-37 27 825 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Struktur wird da­ durch hergestellt, daß jede Einzelschicht nach ihrer Ab­ scheidung in Streifen getrennt wird, um einen Kurzschluß zwischen benachbarten Zellen zu vermeiden. Der oben lie­ gende Kontakt 2 verbindet die n-Seite der Solarzelle mit der p-Seite der nächsten Zelle und sorgt so für die Se­ rienschaltung der Zellen.
In dem Artikel von C. Hebling, S. W. Glunz, C. Schetter, J. Knobloch, A. Räuber "Silicon Thin-Film Solar Cells on insulating intermediate Layers", PVSEC-9 Miyazki (1996), p. 237 ist eine Struktur beschrieben worden, die es gestattet, beide Kontakte einer Dünnschichtsolarzelle auf einer Oberfläche anzuordnen. Dies wird dadurch er­ reicht, daß die n-dotierte Halbleiterschicht ("Emitter") nicht ganzflächig erzeugt wird, sondern nur in örtlich begrenzten Bereichen.
In dieser Veröffentlichung wird die in Fig. 3 darge­ stellte Anordnung beschrieben: Die aktive Silicium­ schicht wird durch eine isolierende SiO2-Schicht vom Substrat getrennt, das in diesem Fall eine Silicium­ scheibe ist. In die ursprünglich ganzflächig p-leitende Siliciumschicht wird örtlich begrenzt eine n-Dotierung eindiffundiert. Es entsteht damit auf einem Teil der Oberfläche der Emitter der Solarzelle. Beide Kontakte können nun auf der Oberfläche angebracht werden, zum Beispiel wieder in einer Gridstruktur, um den Eintritt von Licht zu ermöglichen. Die beiden auf der n- und p-Schicht notwendigen Gridstrukturen werden zur Errei­ chung kurzer Stromwege ineinander verschachtelt ("in­ terdigitated grid"), wie dies Fig. 4 zeigt.
Die in der genannten Veröffentlichung beschriebene So­ larzelle hat außergewöhnlich gute Eigenschaften; insbe­ sondere hat sie eine Wirkungsgrad von 19%. Der Grund hierfür liegt in der sehr guten Qualität der Silicium­ schicht, die durch Verdicken einer einkristallinen soge­ nannten SIMOX-Schicht durch Epitaxie hergestellt wird.
Dieses Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Silicium-Schicht auf einem vergrabenen Dielektrikum wird in der DE-A-42 10 859 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von in Serie bzw. Reihe geschalteten Einzel-Solarzellen auf einem gemeinsamen Substrat sowie eine entsprechende Anordnung anzugeben, bei dem ohne Verwendung eines teuren einkristallinen Si­ licium-Substrats eine Dünnschichtsolarzelle mit einsei­ tiger Kontaktierung und hohem Wirkungsgrad erhalten wird.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa­ tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.
Die hier vorgestellte Erfindung beschreibt Anordnungen und Verfahren zur Herstellung von Solarzellenanordnun­ gen, die aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Einzelzellen besteht, die ausschließlich auf einer Seite kontaktiert sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die folgenden Schrittte vorgesehen:
  • - auf einem isolierenden Träger wird eine zunächst zusammenhängende Halbleiterschicht hergestellt,
  • - in der Halbleiterschicht wird eine Mehrzahl von Einzelzellen hergestellt, von denen jede einen se­ lektiven Emitter aufweist, und auf jeweils einer Seite kontaktiert ist,
  • - vor oder nach der Herstellung der Einzelzellen wer­ den diese elektrisch getrennt,
  • - die einzelnen Zellen werden in einer Serienschal­ tung verbunden.
Die Emitterstruktur kann dabei insbesondere durch selek­ tive n⁺-Diffusion hergestellt werden.
Weiterhin können Kontakte mit wechselnder Polarität auf dem Substrat angeordnet sein.
Bevorzugt werden die Einzelzellen durch hochenergetische Laserstrahlen, mechanisches Sägen, Sandstrahlen, naßche­ misches Ätzen oder Ionensbeschuß im Plasma elektrisch dadurch getrennt, daß Trenngräben zwischen und um die einzelnen Zellen erzeugt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das isolie­ rende Substrat, auf dem die Anordnung aufgebracht ist, als Zwischenschicht auf einem leitfähigen Substrat auf­ gebracht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 bis 4 Darstellungen zur Erläuterung des Stan­ des der Technik (bereits erläutert),
Fig. 5a bis 5e schematisch das erfindungsgemäße Ver­ fahren,
Fig. 6 eine Modifikation des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem weitere Bau­ elemente in den Grundkörper eingebracht sind, und
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit mäanderförmiger Anordnung der Kontakte.
Die Fig. 5a bis 5e erläutern schematisch das erfindungs­ gemäße Verfahren.
Fig. 5a zeigt, daß bei der Herstellung der erfindungsge­ mäßen Struktur von einer Halbleiterschicht auf einer isolierenden Unterlage bzw. einem isolierenden Substrat ausgegangen wird, das beispielsweise eine Keramikscheibe sein kann. Auf diesem isolierenden Substrat wird eine aktive Zellschicht aufgebracht.
Anschließend werden durch örtlich begrenzte Diffusion p-n-Übergänge in Form eines Musters erzeugt, das als An­ einanderreihung einer größeren Zahl von Einzelzellen be­ schrieben werden kann (s. Fig. 5b).
Auf die so erzeugten p-n-Übergange (Emitter und Basis) werden dann die Kontakte als kammförmiges ineinander­ greifende Netz bzw. Grid aufgebracht (Fig. 5c). Diese Kontakte werden im allgemeinen so angeordnet, daß dem positiven Kontakt einer Zelle der negative Kontakt der anderen Zelle gegenüber steht. Es können auch meh­ rere Reihen entgegengesetzter Polarität aus später noch zu erläuternden Gründen nebeneinander angeordnet werden.
Wie Fig. 5d zeigt, erfolgt erfindungsgemäß - anschlie­ ßend oder gegebenenfalls auch vorher - die elektrische Trennung der Einzelzellen voneinander, die auf verschie­ dene Weise erfolgen kann. Der bei dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel nach Schritt 5c gezeigte Verfahrens schritt kann auch vor Schritt b oder c ausgeführt werden.
Anschließlich werden die Solarzellen auf geeignete Weise so miteinander elektrisch verbunden, daß sich eine Seri­ enschaltung ergibt (Fig. 5e).
Durch die Anzahl der miteinander verschalteten Solarzel­ len lassen sich Anordnungen mit unterschiedlichster Ar­ beitsspannung realisieren, d. h. allen Vielfachen der Spannung der Einzelzellen. Die Tatsache, daß sich alle Kontakte auf der Oberfläche befinden, erleichtert die Realisierung einer möglichen Vielfalt von Anordnungen.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein isolierendes Substrat vorgesehen. Falls das "Grund­ substrat" leitende ist, ist es notwendig, eine isolie­ rende Zwischenschicht zwischen dem Grundsubstrat und dem aktivem Zellbereich aufzubringen. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf der selben Fläche weitere Halbleiterbauelemente aufgebracht sind, die mit den Solarzellen direkt verschaltbar sind, etwa die für den sicheren Betrieb von Solarmodulen not­ wendigen Schutzdioden. Die Schutzdioden können auf gleiche Art und Weise wie die Solarzellen prozessiert werden und anschließend mit umgekehrter Polarität paral­ lel zu einer oder mehreren Solarzellen verschaltet wer­ den. Bei Abschattung einzelner Solarzellen werden diese durch die Schutzdiode überbrückt und nicht in Rück­ wärtsrichtung betrieben.
Die mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Vorge­ hensweise wird in der Folge an konkreten Beispielen er­ läutert:
Beispiel 1
Als Halbleiterschicht wird eine Siliciumschicht einge­ setzt. Diese liegt als 5-50 µm dicke Schicht auf ei­ nem isolierenden Substrat vor. Im ersten Prozeßschritt wird die Oberfläche der Siliciumschicht mit Hilfe von invertierten oder statistischen Pyramiden texturiert. Dadurch wird ein besseres Antireflexverhalten und eine Verlängerung des Lichtwegs durch Brechung erreicht. Durch ein teilweise geöffnetes Maskierungsoxid (Dicke ca. 200 nm) wird dann mittels einer Phosphordiffusion der lokale Emitter der einzelnen Zellen erzeugt. Die Struktur des Emitters entspricht dabei einer kammförmi­ gen Fläche mit einer Fingerbreite zwischen 500 und 2000 µm. Zwischen diesen Fingern befinden sich ca. 20-100 µm undiffundierte Bereiche, die für die Basiskontak­ tierung vorgesehen sind. Zur Erzielung höchster Wir­ kungsgrade kann in diesem p-dotierten Bereich zur Mini­ mierung des Kontaktwiderstands und zur Verbesserung der Rekombinationseigenschaften eine Bor-p⁺-Diffusion durchgeführt werden. Anschließend wird mittels einer thermischen Oxidation ein ca. 105 nm dickes Passivie­ rungs- und Antireflexoxid aufgewachsen. Dieses Oxid wird danach im Bereich der Kontaktfinger geöffnet und die p- und n-Kontaktstruktur bestehend aus einer Schichtfolge von Titan, Palladium und Silber aufgedampft und an­ schließend auf eine Dicke von 10-20 µm galvanisch ver­ stärkt. Die Form der p- und n-Kontaktstruktur ent­ spricht dabei zweier ineinandergreifender Kämme mit ei­ nem Fingerabstand von 500-2000 µm. Die einzelnen So­ larzellen in einer Anzahl von typischerweise 5-10 Stück sind ca. 0,5 bis 10 cm2 groß und mit einem Abstand von 50-500 µm in einer Linie angeordnet. Die Sammel­ busse am jeweiligen Ende der Kontaktfinger stehen sich in wechselnder Polarität an den Zellrändern gegenüber. Anschließend werden mittels eines geeigneten Trennver­ fahrens, bei dem beispielsweise hochenergetische Laser­ strahlen, mechanisches Sägen, Sandstrahlen, naßchemi­ sches Ätzen oder Ionensbeschuß im Plasma zum Einsatz kommt, Trenngräben zwischen und um die einzelnen Zellen erzeugt. Die Trenngräben können mit einem isolierenden Material aufgefüllt werden, um die elektrische Passivie­ rung der Gräben zu gewährleisten. Als letzter Schritt wird z. B. mittels Bondtechnik jeweils ein p- mit einem n- Kontaktbus über die Trenngräben hinweg verbunden, so daß eine Serienschaltung entsteht. Die äußersten Kon­ taktbusse dienen als Anschlußpunkte der gesamten Struk­ tur.
Beispiel 2
Im Falle eines elektrisch leitenden Substrates muß vor der Abscheidung der Si-Schicht eine isolierende Zwi­ schenschicht, z. B. eine ca. 0,5-2 µm dicke SiO2-Schicht aufgebracht werden. Diese hat die zusätzlichen Vorteile, als Diffusionsbarriere für Verunreinigungen aus dem Substrat sowie als Rückseitenreflektor zur Ver­ besserung der optischen Eigenschaften im langweiligen Wellenlängenbereichs zu dienen.
Beispiel 3
Die aktive Zellschicht kann aus einer Schichtenfolge von unterschiedlich dotiertem Silicium bestehen. Beispiels­ weise kann auf das isolierende Substrat eine höherdo­ tierte, ca. 1-5 µm dicke n- oder p- Schicht ("Floating Emitter oder Back Surface Field") zur Verringerung der Grenzflächenrekombination aufgebracht werden.
Beispiel 4
Will man aus Gründen der Kompaktheit des fertigen Moduls von einer einzelnen Reihe von Solarzellen absehen, so können auch zwei oder mehrere nebeneinanderliegende Rei­ hen entgegengesetzter Polarität mäanderartig miteinander verbunden werden und so z. B. auch quadratische Arrays realisiert werden (s. Fig. 8).

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanord­ nung, die aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Einzelzellen besteht, die ausschließlich auf einer Seite kontaktiert sind, mit folgenden Schritten:
  • - auf einem isolierenden Träger wird eine zunächst zusammenhängende Halbleiterschicht hergestellt,
  • - in der Halbleiterschicht wird eine Mehrzahl von Einzelzellen hergestellt, von denen jede einen se­ lektiven Emitter aufweist, und auf jeweils einer Seite kontaktiert ist,
  • - vor oder nach der Herstellung der Einzelzellen wer­ den diese elektrisch getrennt,
  • - die einzelnen Zellen werden in einer Serienschal­ tung verbunden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterstruktur durch selektive n⁺-Diffusion hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte mit wechselnder Polarität auf dem Substrat angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen durch hoch­ energetische Laserstrahlen, mechanisches Sägen, Sand­ strahlen, naßchemisches Ätzen oder Ionensbeschuß im Plasma dadurch elektrisch getrennt werden, daß Trenngrä­ ben zwischen und um die einzelnen Zellen erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Elemente, wie Schutzdioden in die Anordnung integriert sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kontakte bzw. Gebiet kamm- oder mäanderförmig ineinander verschachtelt sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat, auf dem die Anordnung aufgebracht ist, als Zwischen­ schicht auf einem leitfähigen Substrat aufgebracht ist.
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