DE19845658C2 - Solarzelle mit Bypassdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, bei der ausgehend von einem Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite Epita­ xie-Schichten zum Herstellen mindestens einer lichtempfindlichen pn-Diode aufgebracht werden, nachdem zuvor mittels Diffusion von Dotierungsmaterialien in das Substrat eine pn-Bypassdiode ausgebildet wurde.

Das zugrundeliegende Problem ist, dass seriell geschaltete Solarzellen Bypassdioden benötigen, die im Fall der Abschattung einer oder mehrerer Zellen die auftretenden unzulässig hohen Rück­ wärtsspannungen unterdrücken.

Aus der DE 39 03 837 A1 ist eine Solarzelle bekannt geworden, die auf einer n-Typ GaAs-Schicht aufgebaut ist. Die im Fall einer Serienschaltung mehrerer gleichartiger Solarzellen zum Schutz ein­ zelner abgeschalteter Zellen notwendige Bypassdiode ist hierbei seitlich zur Solarzelle angeord­ net. Damit wird zwar nicht die Solarzelle selbst abgeschattet, aber die Zelle weist insgesamt einen größeren Flächenbedarf auf. Dies wirkt sich gerade bei Raumfahrtanwendungen ungünstig aus. Außerdem beeinflussen sich beim Herstellungsprozess die Solarzelle und die Bypassdiode gegen­ seitig in nachteiliger Weise.

Die DE 41 36 827 C2 beschreibt zwei unterschiedliche Arten von Solarzellen. Bei der ersten Art wird die Bypassdiode auf der Lichteinfallsseite der Solarzelle implantiert und schattet damit einen Teil der Nutzfläche ab. Die zweite Art der dargestellten Solarzellen zeichnet sich dadurch aus, dass auf der einen Oberfläche eines p-Typ Siliziumsubstrats die Solarzelle ausgebildet wird während auf der anderen Oberfläche eine Bypassdiode erzeugt wird. Aufgrund der Polarität der Bypassdi­ ode kann diese jedoch nur zum Schutz der nächsten in der Serienschaltung folgenden Solarzelle verwendet werden. Deshalb wird zum Schutz der ersten Solarzelle einer Serienschaltung eine weitere diskrete Diode benötigt. Außerdem hat eine derartige Anordnung zur Folge, dass die e­ lektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Solarzellen über zwei verschiedene elektri­ sche Leiter erfolgen muss.

In der US 5,616,185 A wird eine Solarzelle mit hoher Ausnutzung der lichtempfindlichen Fläche vorgestellt, bei der in einer Ausnehmung auf der Rückseite der Solarzelle eine diskrete Bypassdiode angeordnet ist. Dieser Vorschlag bedingt ein aufwendigeres Herstellverfahren und eine um­ fangreichere Verdrahtung zweier in Serie geschalteter Solarzellen.

Schließlich zeigt die US 4,846,896 eine Solarzelle mit frontseitig integrierter Bypassdiode, die je­ doch einen großen Teil der für die Umwandlung von Solarenergie benötigten Fläche für sich be­ ansprucht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit integrierter Bypassdiode bereitzustellen, bei der durch die Diode keine Abschattung oder Verringerung der photoelektrisch wirksamen Fläche stattfindet, und die einen einfachen Herstellprozess aufweist, bei dem sich die Prozesse zur Herstellung der Solarzelle und der Diode möglichst wenig gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus sollte auch die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Solarzellen mög­ lichst einfach gestaltet sein.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 wiedergegebenen Merkmale auf einfache Weise ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Teilen der Unter­ ansprüche wiedergegeben.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Solarzelle sind darin begründet, dass die Her­ stellung der beiden Komponenten Solarzelle und integrierte Bypassdiode nahezu unabhängig voneinander erfolgt und keine negative gegenseitige Beeinflussung der beiden Prozesse stattfin­ det. Der Aufwand für die Erzeugung der Bypassdiode ist sehr gering. Die photoelektrisch wirksa­ me Fläche der Solarzelle wird von der Bypassdiode überhaupt nicht reduziert. Schließlich ergibt sich aus dem Aufbau der Zelle der Vorteil, dass als elektrischer Zellverbinder ein einstückiger e­ lektrischer Leiter Verwendung finden kann, der sehr einfach herzustellen ist.

Grundsätzlich ist die Anwendung der Erfindung bei verschiedensten Halbleiter-Substraten mög­ lich. Als Beispiele seien genannt: n-Si, p-Si, n-Ge, p-Ge, n-GaAs, p-GaAs etc.. Das Ausführungs­ beispiel beschränkt sich auf die Darstellung des Prinzips anhand eines n-Typ Ge-Substrats.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden nä­ her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch Solarzellen gemäß der Erfindung

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zu den Solarzellen gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine Serienschaltung zweier Solarzellen in Schrägansicht.

In der Fig. 1 ist schematisch vereinfacht der Aufbau einer Solarzelle als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Solarzelle 8 weist zunächst als Ausgangsmaterial ein n-Typ Ge-Substrat auf. Auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Substrats wird in einem ersten Verfahrens­ schritt mittels p-Diffusion eine Wanne 2 eingebracht. Die örtliche Begrenzung der Wanne erfolgt in für sich bekannter Weise mit Hilfe eines geeigneten Maskierungsmediums (z. B. Siliziumnitrid), welches die zu dotierende Stelle des Substrats frei lässt und das nach dem Dotierungsvorgang wieder entfernt wird. Die Wanne 2 bildet später die Anode der Bypassdiode. Danach wird mit Hilfe einer weiteren Maske in die p-dotierte Wanne 2 eine n-dotierte Insel 3 eindiffundiert, wozu wieder vor dem Diffusionsvorgang eine Maskierungsschicht aufgebracht wird. Die n-dotierte Insel 3 wirkt als Kathode der Bypassdiode. Erst nach dem Entstehen der Bypassdiode werden auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 1 die Epitaxieschichten einer oder auch mehrerer Solar­ zellenanordnungen 4 mittels der üblichen Epitaxieverfahren erzeugt. Diese Verfahren sind be­ kannt und werden deshalb nicht näher beschrieben. Vor der Abscheidung wird die Vorderseite des Halbleitermaterials entsprechend vorbereitet (poliert etc.). Mittels der bisher beschriebenen Verfahrensschritte wird die Solarzelle 8 mit einer rückseitig integrierten Bypassdiode 2, 3 aufge­ baut. Als vorteilhafter Nebeneffekt ergibt sich hierbei, dass die Erzeugung der Bypassdiode und das Aufbringen der Epitaxieschichten sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Die Diffusions­ prozesse zur Herstellung der Bypassdiode werden so eingestellt, dass die Dotierungstiefen, bzw. - profile erst nach allen Hochtemperaturschritten die gewünschten Werte und Verläufe erreichen.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden die elektrischen Anschlüsse mittels Metallisierung bestimmter Bereiche der Vorder- und Rückseite der Solarzelle 8 hergestellt. Auf der dem Licht­ einfall zugewandten Seite genügt hierfür eine frontseitig angeordnete kammförmige Elektrode 5a, die zur Kontaktierung des Emitters der Solarzelle 8 dient. Auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle 8 werden zwei weitere elektrische Kontaktflächen 5b, 5c aufgebracht. Der erste weitere Kontakt 5b dient dem elektrischen Anschluß des Basiskontaktes der Solarzelle 8. Er erfüllt aber noch eine weitere Aufgabe. Bei der Erzeugung der Solarzelle 8 entstehen, wie dem Ersatzschaltbild in der Fig. 2 zu entnehmen ist, nicht nur die photoelektrisch wirksame Solarzelle 10, sondern mittels der p- und n-Dotierung auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite auch zwei weitere Dioden 11, 12, die gegengleich in Serie geschaltet sind. Von diesen beiden Dioden wird nur diejenige als Bypassdiode 12 benötigt, die entgegengesetzt zur Solarzelle 10 gepolt ist. Deshalb wird der erste weitere Kontakt 5b so ausgeführt, daß er als Kurzschluß 6 den pn-Übergang der parasitären Diode 11 im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 überbrückt, der aus dem n-Typ Ge-Substrat und der p-Typ Wanne 2 gebildet wird.

Der elektrische Leiter 7 hat eine kombinierte Funktion. Zum einen dient er der Serienschaltung der Solarzellen 8 und 9, indem er den Frontkontakt der Solarzelle 8 mit dem Basiskontakt der Solarzelle 9 verbindet. Zum anderen erzeugt er die elektrische Verbindung von der Kathode 5c der Bypassdiode 12 mit der Frontelektrode 5a und somit dem Emitter der Solarzelle 8. Besonders vorteilhaft ist hierbei die einfache Gestaltungsmöglichkeit dieses elektrischen Leiters 7, die in der Fig. 3 in einer Schrägansicht dargestellt ist. Der Leiter 7 besteht demnach nur aus einem gestanzten, geäzten oder erodierten Teil aus einer leitfähigen Folie oder einem dünnen Blech, das mittels eines geeigneten Werkzeugs in die benötigte Form gebracht wird. Es ist ohne weiteres auch möglich, auf einer Solarzelle zwei oder mehrere Bypassdioden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens anzuordnen. Im diesem Falle wird für den Leiter 7 eine entsprechend angepaßte Form gewählt.

Die beschriebene Integration einer Bypassdiode eignet sich in Verbindung mit moderner Solarzellentechnologie besonders zur Herstellung von Tandem- oder Triple-Solarzellen auf GaAs- oder Ge-Substraten, welche bei der Fertigung von hocheffizienten Solarzellen für die Raumfahrt angewendetet wird. Die genannten Technologien profitieren im besonderen von dem beschriebenen Verfahren, da die Integration der Bypassdioden in das Substratmaterial zeitlich vor den Verfahrensschritten zur Herstellung der photoelektrisch wirksamen Solarzellenschichten stattfindet. Die Bypassdiode kann daher unabhängig von der eigentlichen Solarzelle bezüglich ihres Sperr- und Durchlaßverhaltens optimiert werden. Hierbei wird eine möglichst hohe Durchbruchspannung und eine kleine Vorwärtsspannung, welche eine abgeschattete Solarzelle in Rückwärtsrichtung treibt, angestrebt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, bei dem ausgehend von einem Halbleiter­ substrat vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite Epi­ taxie-Schichten zum Herstellen mindestens einer lichtempfindlichen pn-Diode aufge­ bracht werden, nachdem zuvor mittels Diffusion von Dotierungsmaterialien in das Substrat eine pn-Bypassdiode ausgebildet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Bypassdiode in der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Halb­ leitersubstrats ein flacher Bereich vom zweiter Leitfähigkeitstyp durch Diffusion er­ zeugt wird und in diesem. Bereich eine Insel vom ersten Leitfähigkeitstyp eindiffun­ diert wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite mittels Metallisierung ein Frontkontakt (5a) und auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite zwei weitere Kontakte (5b, c) ausgebildet werden, von denen der erste weitere Kontakt (5b) das Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähig­ keitstyp und den flachen Bereich vorn zweiten Leitfähigkeitstyp verbindet (6) und von denen der zweite weitere Kontakt (5c) den externen Anschluss der Bypassdiode (2, 3) auf der Insel vom ersten Leitfähigkeitstyp bildet.

3. Anordnung aus mehreren, nach einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 hergestell­ ten Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleichartige benachbarte So­ larzellen (8, 9) in Reihenschaltung mittels eines einstückiger elektrischen Leiters (7) verbunden sind, der gleichzeitig die elektrische Verbindung von der Kathode (5c) der Bypassdiode (12) einer der Solarzellen (8) mit der Frontelektrode (5a) dieser Solarzelle (8) bildet.