DE19743692A1 - Multifunktionsschicht zur Verbesserung des Wirkungsgrades von kristallinen Dünnschicht Silizium Solarzellen - Google Patents

Multifunktionsschicht zur Verbesserung des Wirkungsgrades von kristallinen Dünnschicht Silizium Solarzellen

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Description

In der Solarzellen Technologie werden Halbleiterstrukturen verwendet, die dazu dienen, möglichst viele photogenerierte Ladungsträger im Solarstrom zu sammeln. Optische Verluste in der Lichtabsorption bzw. Photoanregung und Verluste durch Rekombination der photogenerierten Ladungsträger müssen minimiert werden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Ein weiteres Anliegen der Solarzellen Technologie ist die Kostenreduktion bei der Materialherstellung. In zunehmendem Maße wird versucht, durch Verwendung dünner Schichten eine Kostenreduktion zu erreichen. Da kristallines Silizium ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke ist, wird in dünnen Silizium-Schichten je nach Wellenlänge nur ein kleiner Bruchteil des eindringenden Lichtes absorbiert. Eine Reduktion der Schichtdicke geht immer mit einer kleineren Absortion von Licht und damit einem Verlust von Solarstrom einher. In der Dünnschicht-Solarzellen-Technologie muß der Weg des Lichtes in der absorbierenden photovoltaisch aktiven Schicht verlängert werden, um ausreichende Absorption zu erzielen. Dies wird durch geeignete Strukturierung oder durch Rückseitenreflektoren erreicht [1]. Die am Rückseitenreflektor angelangende Strahlung wird in die photovoltaisch aktive Schicht zurückreflektiert und kann dort zusätzliche Ladungsträger generieren.
Die Rekombination von Ladungsträgern erfolgt im Volumen der Halbleiterschicht und mit abnehmender Schichtdicke in zunehmendem Maß an den Grenzflächen. Die Solarzellen Technologie versucht, neben der Verbesserung der Volumen-Materialqualität, durch eine Passivierung der vorder- und rückseitigen Grenzflächen eine Verminderung der Rekombination von Ladungsträgern, zu erreichen. Diese Passivierung ist bei Dünnschicht Solarzellen von besonderer Bedeutung, da das Verhältnis Oberfläche zu Volumen im Vergleich zu 300 µm dicken Solarzellen aus Silizium-Wafern groß ist. Zur Passivierung dienen z. B. SiO2 und Si3N4 Schichten und/oder Kontakte mit möglichst kleinen Oberflächen. Neuere Arbeiten [2, 3] berichten über eine Oberflächenpassivierung mittels einer dünnen porösen Silizium Schicht. Eine andere bekannte Art der Passivierung ist der Einbau eines rückseitigen Feldes (sog. "Back Surface Field") durch einen Sprung in der Dotierung (z. B. p/p⁺-Silizium), welches Minoritätladungsträger an der Grenzfläche verarmen läßt und somit die Rekombinationswahrscheinlichkeit vermindert.
In der Halbleitertechnologie allgemein wird versucht eine Verbesserung der Qualität von Beschichtungen durch epitaktische Abscheidung des Materials auf einer Keimvorgabeschicht zu erreichen. Um das zu erreichen, müssen die Kristallgitterabstände der Keimvorgabeschicht denen des aufzuwachsenden Materials sehr nahe kommen. Weitere Verbesserung der Materialqualität von Epitaxieschichten gelingt durch Verminderung von Verunreinigungen, wie sie insbesondere bei der Dünnschicht-Silizium-Solarzellenproduktion auf preisgünstigen Fremdsubstraten auftreten. Hierzu wird bei Silizium-Solarzellen auf Fremdsubstraten eine Diffusions-Sperrschicht eingebaut [4, 5].
Um die photogenerierten Ladungsträger in einem äußeren Stromkreis zu nutzen, müssen Solarzellen mit Kontakten versehen werden. Die Dünnschicht-Solarzellen- Technologie hat Methoden und Prozesse entwickelt, geeignete Kontakte auf die Silizium- Schichten aufzubringen. Solarzellen-Kontakte zur photovoltaisch aktiven Schicht müssen niederohmig sein, aber aus den Kontaktmaterialien darf keine Eindiffusion von schädlichen Verunreinigungen (insbesondere von Metallen, die als Rekombinationszentren wirken können) in die photovoltaisch aktive Schicht erfolgen. Kontakte stellen Rekombinationsstellen in der Solarzelle dar. Durch Verkleinerung der Kontaktfläche wird die Rekombination vermindert, aber der Kontaktwiderstand wird erhöht. Kontakte bestehen bei kristallinen Silizium-Solarzellen meist aus einer Al/Ag/Pd Mischung, welche als Paste aufgebracht wird.
Der Nachteil aller bekannten Technologien zur Erhöhung der Lichteinkopplung bzw. der Verminderung der Volumen- und Grenzflächenrekombination ist, daß die verschiedenen Ziele zur Wirkungsgradverbesserung durch getrennte Methoden und damit in mehreren Herstellungsprozessen erfolgen. Die bekannten Technologien sind somit insgesamt teuer in der Produktion.
Ziel
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Schichtstruktur zur Wirkungsgradverbesserung von kristallinen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen durch den Einbau einer Multifunktionsschicht. Die Schichtstruktur ist in Abb. 2 gezeigt. Sie umfaßt die derzeit bekannte Solarzellenstruktur wie sie in der Literatur vorgeschlagen wurde [5] und in Abb. 1 gezeigt ist. Neu entsprechend der Erfindung wird eine poröse Silizium Schicht zwischen den p⁺Rückseitenkontakt und die photovoltaisch aktive Schicht eingeschoben. Die poröse Silizium Schicht wird mit bekannten Verfahren durch Ätzen [6] aus der bereits abgeschiedenen p⁺Schicht erstellt. Die vergrabene poröse Siliziumschicht weist aufgrund des von kristallinem Silizium abweichenden Brechungsindex und ihrer geeignet gewählten Schichtdicke eine hohe Reflexion im Bereich infraroter Lichtwellenlängen auf [7]. Die Herstellung von Interferenzfiltern auf Basis porösem Siliziums ist Stand der Technik [8]. Die Multifunktionsschicht erfüllt weiterhin die Aufgabe der Rückseitenpassivierung sowie des Rückseitenkontaktes. Zusätzlich wirkt die poröse Silizium Schicht als Diffusionssperrschicht für Verunreinigungen, da ein hoher Anteil kristallinem Siliziums als Diffusionspfad wegfällt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schichtstruktur ist, eine Solarzelle derart herzustellen, daß die poröse Silizium Schicht Rückseitenreflektor Rückseitenkontakt und Rückseitenpassivierung darstellt, sowie - aufgrund der gleichen Gitterkonstante - als Keimvorgabeschicht dient und ein epitaktisches Aufwachsen der photovoltaisch aktiven Silizium Schicht [9] zuläßt. Die Epitaxie auf porösem Silizium ist Stand der Technik [10]. Die erfindungsgemäße Struktur hat den Vorteil der mit bisheriger Technologie durchführbaren Herstellung und nur eines zusätzlichen Produktionsschrittes. Die Realisierung der Schichtstruktur führt damit zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung, welche mit wenig Mehraufwand bei der Herstellung verbunden ist.
Beschreibung
In Abb. 2 ist eine Schichtstruktur gezeigt, welche eine vergrabene Multifunktionsschicht enthält, auf der epitaktisch Silizium abgeschieden ist. Die Wellenlänge optimaler Reflexion ist je nach Schichtdicke der Epitaxieschicht so gewählt, daß Licht welches höhere Eindringtiefe als die Schichtdicke hat reflektiert wird und beim nochmaligen Durchgang durch die photovoltaisch aktive Schicht zusätzliche Ladungsträger anregen kann. Eine Prinzipskizze zeigt Abb. 3. Der Solarzellenprozeß liefert weiterhin eine eingebaute Rückseitenpassivierung aufgrund einer Reduktion der Rekombination (sog. "Back Surface Field") mit dem Vorteil einer leitfähigen Schicht zum Stromtransport. Die Multifunktionsschicht ist mit chemischen oder elektrochemischen Methoden strukturierbar, so daß innerhalb der Schichtenfolgen eine Serienverschaltung der durch die Strukturierung entstehenden einzelnen Solarzellen zu einem Solarmodul vorgenommen werden kann. Die Aufgabe des Rückseitenkontaktes und der Rückseitenpassivierung hatte die p⁺Schicht auch in der bisherigen Technologie. Neu ist die Umwandlung eines kleinen Teils der p⁺Schicht in poröses Silizium mit reflektierenden Eigenschaften. Eine Integration dieser Multifunktionsschicht ist kostengünstig möglich und verbessert sowohl die optische als auch die elektrische Funktion der Schichtfolge als Solarzelle, wie bereits erläutert. Der Ausbau der in Abb. 1 bis 3 gezeigten Schichtfolgen zu Solarzellen ist Stand der Technik.
Literatur
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European Photovoltaic Solar Energy Conference, (1995), Nice, p. 432
[2] L. Stahlmans et al., 14th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, (1997), Barcelona, to be published
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[5] H. v. Campe et al., 11th
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[6] M. G. Berger et al., Optical Interference Coatings, Florin Abeles ed., Proc. SPIE 2253, (1994), p. 865
[7] M. Thoenissen et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 431, (1996), p. 373-378
[8] dt. Patent-Nr. DE: P 195 18 371.1, Forschungszentrum Jülich, M. Krüger, M. Marso, M. G. Berger, H. Münder, J. Gräber, R. Arens-Fischer, M. Thönissen, O. Glück, H. Lüth, "Verfahren zur Strukturierung porösem Siliziums, sowie eine poröses Silizium enthaltende Struktur"
[9] C. Oules et al., Materials Science and Engineering, (1989), B4, p. 435
[10] dt. Patent-Nr. DE: P 197 30 975.5, Max-Planck-Gesellschaft, R.Brendel, "Verfahren zur Herstellung von Schichten auf Gebilden auf einem Substrat, sowie des Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterbauelementen"

Claims (9)

1. Aufbau einer Dünnschicht-Silizium-Solarzelle, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Wirkungsgrades zwischen Substrat und photovoltaisch aktive Schicht eine Multifunktionsschicht eingebaut wird, welche die Funktionen eines optischen Reflektors, einer Keimvorgabeschicht für Silizium-Epitaxie und mindestens eine oder mehrere der folgenden Funktionen erfüllt: Rückseitenpassivierung, Diffusionssperrschicht und Rückseitenkontakt.
2. Verfahren zur Herstellung einer Multifunktionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oberflächen-nahe Schicht einer kristallinen Siliziumschicht in eine Schicht mit anderem Brechungsindex und geeigneter Dicke umgewandelt wird, derart, daß eine erhöhte Reflexion für Licht auftritt.
3. Verfahren zur Herstellung einer Multifunktionsschicht nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus porösem Silizium besteht.
4. Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit Multifunktionsschicht nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Multifunktionsschicht geeignet präpariert wird, um für den anschließenden Beschichtungsvorgang als Keimvorgabeschicht zu wirken und epitaktisches Wachstum der photovoltaisch aktiven Schicht zu ermöglichen.
5. Aufbau einer Dünnschicht-Silizium-Solarzelle mit Multifunktionsschicht nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die umgewandelte poröse Silizium Schicht eine Leitfähigkeit in der Größenordnung der photovoltaisch aktiven Schicht aufweist und als Rückseitenkontakt dient.
6. Aufbau einer Dünnschicht-Silizium-Solarzelle mit Multifunktionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgewandelte Silizium-Schicht eine Rückseitenpassivierung darstellt, derart, daß Minoritätsladungsträger an der Multifunktionsschicht verarmt sind (Back Surface Field).
7. Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit Multifunktionsschicht nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Silizium-Schicht als Keimschicht für die nachfolgende epitaktische Abscheidung des weiteren Schichtaufbaus und insbesondere der photovoltaisch aktiven Schicht wirkt.
8. Aufbau einer Dünnschicht-Silizium-Solarzelle mit Multifunktionsschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebaute Schicht strukturiert oder mit chemischen und/oder elektrochemischen Methoden strukturierbar ist, und eine integrierte Verschaltung zu Solarmodulen ermöglicht.
9. Aufbau einer Dünnschicht-Silizium-Solarzelle mit Multifunktionsschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Porösität eine gegenüber kristallinem Silizium verminderte Diffusion von Verunreinigungen in die photovoltaisch aktive Epitaxieschicht auftritt.
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