DE19854269A1 - Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung derselben

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Abstract

Beschrieben wird eine Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben, mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat angeordneten Solarzellenschicht, die wenigstens einen n-leitenden (Emitter) und wenigstens einen p-leitenden (Basis) Halbleiter-Schichtbereich aufweist, sowie eine erste und zweite Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter bzw. der Basis elektrisch verbunden sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht auf dem Trägersubstrat wenigstens die erste Kontaktelektrode aufgebracht ist, über der eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen ist, und über der Isolationsschicht die Solarzellenschicht angeordnet ist, daß wenigstens ein Kontaktkanal die Isolationsschicht und/oder die Solarzellenschicht derart durchsetzt, daß mittels eines innerhalb des Kontaktkanals vorgesehenen elektrisch leitenden Materials die erste Kontaktelektrode und der zuu der Polarität der ersten Kontaktelektrode entsprechende Halbleiter-Schichtbereich innerhalb der Solarzellenschicht miteinander elektrisch verbunden sind, und daß entweder die zweite Kontaktelektrode mit dem zu dieser Polarität entsprechenden Halbleiter-Schichtbereich unmittelbar elektrisch kontaktiert ist oder daß die zweite Kontaktelektrode ebenfalls wie die erste Kontaktelektrode über der Trägerschicht und unter der elektrischen Isolationsschicht und ...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 und 10.
Stand der Technik
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial, das n- und p-leitende Bereiche enthält, d. h. Bereiche in denen der Stromtransport durch negative bzw. positive Ladungsträger erfolgt. Die Bereiche werden als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative Ladungsträger werden getrennt und können durch metallische Kontakte auf den jeweiligen Bereichen abgeführt werden. Zur nutzbaren elektrischen Leistung tragen entsprechend nur solche Ladungsträger bei, die die Kontakte erreichen und nicht vorher mit einem Ladungsträger umgekehrter Polarität rekombinieren. Ein weiterer Verlustmechanismus ist die Reflexion von Licht an den Metallkontakten. Man spricht von der Abschattung der Solarzelle durch die Kontaktierung. Je geringer die Abschattung, d. h. je mehr Licht in die Solarzelle gelangen kann, desto größer ist die Stromausbeute der Zelle pro Fläche, und somit der Wirkungsgrad. Die Kontakte auf der dem Licht zugewandten Seite, meist die Vorderseite der Zelle werden deshalb als kammförmige Strukturen, sog. Grids, ausgeführt. Um aber einen Stromtransport mit geringem Widerstand zu garantieren, darf der Abstand der Gridfinger nicht zu groß und die Anzahl und der Querschnitt nicht zu klein gewählt werden. Eine gewisse Abschattung muß also bei herkömmlichen Solarzellen in Kauf genommen werden.
Im Zuge der Entwicklung von billigeren Ausgangsmaterialien kommt dem Konzept der Dünnschichtsolarzelle auf kostengünstigem Substrat eine besondere Bedeutung zu. Eine derartige bekannte Solarzelle (siehe Fig. 1a) besteht nur aus einer aktiven Solarzellenschicht 1, die aus einer p-dotierten Basis 1b und im dargestellten Fall gemäß Fig. 1a aus n-dotierten selektiven Emitterbereichen 1a besteht. Die aktive Solarzellenschicht 1 weist typischerweise eine Dicke von ca. 3-50 µm auf, die auf ein Trägersubstrat 2 aufgebracht wird. Viele dieser Substrate 2 sind allerdings nicht leitfähig. Deshalb kann der elektrische Kontakt zur Basis 1b nicht von der Rückseite über das Trägersubstrat 2 erfolgen. Statt dessen muß ein sog. Einseitengrid verwendet werden, das aus zwei ineinandergreifende Grids, ein Emittergrid 3a und ein Basisgrid 3b jeweils zur Kontaktierung der Basis 1b und des Emitters 1a besteht.
Ein derartiger Solarzellenaufbau kann gleichzeitig auch dazu genutzt werden, auf einem Trägersubstrat mehrere Solarzellen miteinander zu verschalten, wie es aus der DE 197 15 138 hervorgeht.
Ein ähnlich bekannter Aufbau ist für eine Rückseitenkontaktzelle in Fig. 1b gezeigt, ein Konzept für hocheffiziente Solarzellen. Hier sind beide Kontakte 3a und 3b auf der Rückseite der Solarzelle angebracht, um die Abschattung auf der Vorderseite völlig zu eliminieren. Werden die Kontakte als schmale Grids realisiert, kann auch Licht, das von der Rückseite auf die Solarzelle gelangt, zur Stromerzeugung beitragen (sog. bifacial cell).
Die Realisierung dieser Einseitengrids ist bislang nur durch sehr aufwendige Verfahren möglich. Dabei wird durch mehrere Maskenschritte der selektive Emitter erzeugt wobei der Emitter nicht aus einer lateral homogenen Schicht, sondern aus einem Teilbereich besteht, der der Form des Emittergrids entspricht. Auf diese Weise bleiben auf der Oberfläche Basisbereiche erhalten und können direkt kontaktiert werden. Das Aufbringen der jeweiligen Metallkontakte genau auf den entsprechenden Bereichen ist ein kritisches Justageproblem und erfordert ebenfalls Masken, die präzise zu justieren sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat angeordneten Solarzellenschicht, die wenigstens einen n-leitenden (Emitter) und wenigstens einen p-leitenden (Basis) Halbleiter-Schichtbereich aufweist, sowie eine erste und zweite Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter bzw. der Basis elektrisch verbunden sind, derart anzugeben, daß ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades die Solarzelle einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Halbleiterbereiche soll anders wie beim Stand der Technik ohne die Verwendung hochpräzise zu justierender Masken erfolgen und vielmehr mit einfachen Prozeßtechniken realisierbar sein. Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzellenanordnung soll darüber hinaus die Möglichkeit einer leichten Verschaltbarkeit mehrerer Solarzellenstrukturen auf einem Trägersubstrat miteinander bieten sowie das Vorsehen einer Schutzdiode gestatten.
Schließlich soll ein Verfahren zur Herstellung der neuartigen Dünnschichtsolarzellenanordnung angegeben werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 10. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat angeordneten Solarzellenschicht, die wenigstens einen n-leitenden, den Emitterbereich, und wenigstens einen p-leitenden, den Basisbereich, Halbleiter-Schichtbereich aufweist, sowie eine erste und zweite Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter bzw. der Basis elektrisch verbunden sind, ist derart ausgestaltet daß unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht auf dem Trägersubstrat die erste und zweite Kontaktelektrode aufgebracht ist, über der eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen ist, und über der Isolationsschicht die Solarzellenschicht angeordnet ist. Die Kontaktelektroden sind vorzugsweise als gridförmige Leiterbahnen ausgebildet und bestehen aus Metall. Die beiden Kontaktelektroden, die elektrisch mit unterschiedlichen Polaritäten verbindbar sind, sind gegenseitig beabstandet auf dem Trägersubstrat aufgebracht.
Zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen, übereinander erzeugten Halbleiter- Schichtbereiche (Emitter-, Basisbereich) mit den entsprechenden Kontaktelektroden sind erste und zweite Kontaktkanäle vorgesehen, die die Isolationsschicht und/oder die aktive Solarzellenschicht bis hinab zu den Kontaktelektroden durchsetzen. Die Erzeugung kann durch Abscheidung, aber auch durch Umwandlung bspw. durch Diffusion, erfolgen. So sind vorzugsweise mehrerer erste und zweite Kontaktkanäle vorgesehen, in denen elektrisch leitendes Material eingebracht ist, durch das die erste Kontaktelektrode mit dem ihrer Polarität zugeordneten Halbleiter- Schichtbereich miteinander elektrisch verbunden sind. Ferner ist die zweite Kontaktelektrode und der zu ihrer Polarität entsprechende Halbleiter-Schichtbereich über zweite Kontaktkanäle miteinander elektrisch verbunden.
Die Kontaktkanäle sind als einseitig, durch die jeweiligen Kontaktelektroden begrenzte Sacklöcher ausgebildet und dienen der elektrischen Kontaktierung der einzelnen Halbleiter-Schichtbereiche ohne, daß die Maßnahmen der Kontaktierung die aktive Solarzellenoberfläche wesentlich beeinflussen. Lediglich die Querschnittsfläche der einzelnen Kontaktkanäle gehen von der aktiven Solarzellenschicht verloren, ein Flächenanteil, der jedoch verhältnismäßig gering ist.
Neben der vorstehend beschriebenen Möglichkeit des Vorsehens beider Kontaktelektroden unterhalb der aktiven Solarzellenschicht ist es auch möglich, nur eine Kontaktelektrode unmittelbar auf der Trägerschicht oder getrennt von dieser auf einer Isolationsschicht aufzubringen. Die andere Kontaktelektrode kann nach Fertigstellung der aktiven Solarzellenschicht auf dem obersten Halbleiter- Schichtbereich in Art einer Gridelektrode aufgebracht werden. Die vergrabene Kontaktelektrode wird wie im vorstehend beschriebenen Fall mittels Kontaktkanäle elektrisch verbunden, die andere Kontaktelektrode liegt oberflächig auf der obersten Halbleiterschicht auf. Zwar ist der Grad der Lichtabdeckung bedingt durch die Gridelektrode größer als im Fall zweier vergrabener Kontaktelektroden, dennoch weitaus geringer, als im Falle der bekannten Rück-, bzw. Einseitenkontaktzelle gemäß Fig. 1a, b.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kontaktierung und des schichtförmigen Aufbaus der Dünnschichtsolarzelle kann die Solarzelle in beliebige laterale Abschnitte unterteilt werden, indem die Schichten bis hinab zur die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht durchtrennt werden. Eine derartige Unterteilung erlaubt es mehrere Solarzellen miteinander zu kombinieren, die auf einem einzigen Trägersubstrat aufgebracht sind. Ferner können Schutzdioden vorgesehen werden, die auf dem selben Trägersubstrat wie die Solarzellen aufgebracht sind, die dazu dienen bei Fehlfunktionen die Solarzellen zu überbrücken um auf diese Weise die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Solarzellen zu erhöhen.
Weitergehende Ausführungen zum Aufbau der Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie deren Herstellungsverfahren sollen anhand der nachstehenden Figuren näher erläutert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a, b Einseitig kontaktierte Solarzellenanordnungen, die zum Stand der Technik zählen,
Fig. 2 Prinzipaufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Rückseitenkontakt-Dünnschichtsolarzelle,
Fig. 3a-d Verfahrensstufen zur Herstellung einer Emitter-Basiskontaktierung bei der Rückseiten-Dünnschichtsolarzelle
Fig. 4a, b, c Querschnittsdarstellungen durch verschiedene Dünnschichtsolarzellen
Fig. 5a, b Dünnschichtsolarzellenstrukturen mit konventionellen Oberflächenkontaktierung und erfindungsgemäßer Rückseitenkontaktierung,
Fig. 6 Dünnschichtsolarellenanordnung mit konventioneller Basiskontaktierung und erfindungsgemäßer Rückseitenkontaktierung,
Fig. 7 Dünnschichtsolarzellenanordnung mit Schutzdiode,
Fig. 8 Modulartige Verschaltung mehrerer Dünnschichtsolarzellenanordnungen sowie
Fig. 9 Querschnittsdarstellung durch eine Anordnung gemäß Fig. 8.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und gewerblicher Anwendbarkeit
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Rückseitenkontakt- Dünnschichtsolarzelle (BC-TFC, engl. back contact thin-film cell).
Auf einem Trägersubstrat 2 werden vor Abscheidung der aktiven Solarzellenschicht 1, Leiterbahnen 3a, 3b aus Metall oder anderen leitfähigen Materialien, wie z. B. Siliziden (z. B. TiSi2) direkt oder auf einer unteren Isolationsschicht 4 aufgebracht. Die Leiterbahnen sind mit einer oberen elektrischen Isolationsschicht 5 (beispielsweise aus Nitriden und/oder Oxiden und/oder Carbiden) überdeckt. Neben der elektrischen Isolation besteht die Aufgabe dieser Schicht 5 darin, das Metall der Kontaktelektroden 3a, 3b zu kapseln, da es in nachfolgenden Hochtemperaturschritten (z. B. bei der Abscheidung der aktiven Halbleiterschicht oder bei der Bildung des Emitters) schmelzen kann. Durch die Kapselung wird sichergestellt, daß das Metall weder verläuft noch in größerem Maße durch die Isolationsschicht in die aktive Schicht diffundiert und dadurch die Qualität der aktiven Schicht verschlechtert.
Besonders im Falle, daß das Trägersubstrat 2 leitfähig oder porös ist, muß auch zwischen dem Trägersubstrat 2 und den als Leiterbahnen ausgeführten Kontaktelektroden 3a, 3b eine Isolationsschicht 4 aufgebracht werden.
Die Kontaktelektroden 3a, 3b stellen im weiteren die elektrische Kontaktierung der Solarzelle dar. Entsprechend der elektrischen Polarität im äußeren Stromkreis können sie eingeteilt werden in positive (Plus-) 3b und negative (Minus-) 3a Kontaktelektroden. Im allgemeinen wechseln sich Plus- und Minuskontaktelektrode ab, es sind aber auch andere Anordnungen (z. B. auf eine Pluskontakt-Leiterbahn folgen zwei Minuskontakt-Leiterbahnen und erst dann wieder eine Pluskontakt- Leiterbahn) möglich.
Auf die gekapselten Kontaktelektroden 3a, 3b wird die aktive Halbleiterschicht 1 abgeschieden. Dazu stehen verschiedene Verfahren in der Halbleitertechnologie zur Verfügung, z. B. Abscheidung aus der flüssigen Phase (LPE) oder aus der Gasphase (CVD) oder plasmaunterstützte Abscheidung (PECVD), etc. Dabei kann es zweckmäßig sein, zunächst eine dünne Keimschicht abzuscheiden, die durch einen Rekristallisationsprozeß in der Qualität verbessert wird, bevor auf ihr epitaktisch die eigentliche Solarzellenschicht abgeschieden wird. Sinnvollerweise ist diese Schicht bereits p-leitend und stellt in der Solarzelle die Basis 1b dar. Der Emitter 1a wird anschließend entweder durch Abscheidung von n-leitendem Material oder durch Diffusion von Dotierstoffen in die Oberfläche der Halbleiterschicht mit einer typischen Tiefe von 0.3-1 µm, gebildet.
Die Kontaktierung der Solarzelle, d. h. die elektrische Verbindung von Emitter 1a und Basis 1b mit den entsprechenden Kontaktelektroden, d. h. Minuskontakt-Leiterbahnen 3a für Emitter-Kontaktierung, Pluskontakt-Leiterbahnen 3b für Basis-Kontaktierung, erfolgt durch als Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle 6a, 6b, die vorzugsweise senkrecht oberhalb der jeweiligen Kontaktelektrode durch die aktive Halbleiterschicht 1 hindurch erzeugt werden. Dabei müssen Abstand und Größe der Kontaktkanäle 6a, 6b derart optimiert sein, daß auf der einen Seite auf die Gewährleistung eines guten Abtransports der Ladungsträger aus der Solarzelle in die Leiterbahnen und auf der anderen Seite auf geringstmöglichen Verlust an Solarzellenmaterial geachtet wird.
Die Realisierung der elektrischen Kontaktierung erfolgt in folgenden Schritten:
  • - Vor der Emitterbildung, d. h. der Herstellung des obersten Halbeiter- Schichtbereiches 1a werden die Sacklöcher 6a, die zur Emitterkontaktierung genutzt werden sollen, durch die aktive Schicht 1 bis zur Isolationsschicht 5 erzeugt (siehe hierzu Figur Abb. 3a). Die Lage der Sacklöcher 6a ist dabei so gewählt, daß sie oberhalb der Minuskontaktelektroden 3a liegen. Die Sacklöcher 6a können geätzt, gelasert oder durch einen Hochdruck-Partikelstrahl erzeugt werden. Auch das Sägen von kleinen Schlitzen oder Kreuzen ist möglich.
  • - Anschließenden erfolgt die Emitterbildung, bei der die gesamte freie Oberfläche, der Halbleiterschicht 1a, also auch die Flanken der Sacklöcher 6a, mit einer geschlossenen Emitterschicht 1a überzogen wird bzw. durch Diffusion bildet sich eine entsprechende geschlossene Emitterschicht 1b (Fig. 3b) aus.
  • - Nach der Emitterbildung werden die Böden der Emitterkontaktkanäle 6a durch die Isolationsschicht 5 hindurch weitergetrieben bis die Sacklöcher 6a auf die metallischen Minuskontaktelektroden 3a stoßen (Fig. 3c).
  • - Ebenfalls nach der Emitterbildung werden oberhalb der Pluskontaktelektroden 3b Sacklöcher 6b durch die Schichtenabfolge 1a und 1b hindurch bis auf die Pluskontaktelektroden 3b erzeugt. Durch diese Sacklöcher 6b soll der elektrische Kontakt zur Basisschicht 1b hergestellt werden (Fig. 3c).
  • - Durch Auf- bzw. Einbringen eines elektrisch leitenden Materials 7, vorzugsweise Metall, in die Sacklöcher 6a, 6b erfolgt die elektrische Kontaktierung, d. h. die Verbindung von Emitter 1a bzw. Basis 1b mit den jeweiligen Kontaktelektroden 3a und 3b (Fig. 3d).
Typischerweise wird das Aufbringen von Metall 7 durch Aufdampfen und anschließende galvanische Verstärkung erreicht. Dabei ist es vorteilhaft, daß das aufgedampfte Metall 7 nicht nur den Boden, sondern auch die Flanken im unteren Bereich der Löcher 6a und 6b bedeckt und somit über die Isolationsschicht 5 hinweg Kontakt zwischen den jeweiligen Halbeiter-Schichtbereichen 1a und 1b und den Kontaktelektroden 3a, 3b herstellt. Um dies zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen nach unten verjüngende Sacklöcher auszubilden, wie es an späterer Stelle unter Bezug auf die Fig. 4 noch näher erläutert wird.
Durch geeignete Wahl des Kontaktelektroden-Materials (z. B. Silber oder eine Mischung aus Aluminium und Silber) kann aber auch auf das Aufdampfen verzichtet werden. In einem Galvanik-Prozeß kann direkt Metall (z. B. Silber) auf den in den Sacklöchern 6a, 6b frei liegenden Kontaktelektrodenstellen aufgewachsen werden.
Ebenfalls ist es möglich die Nutzung des am Boden der Sacklöcher freigelegten Metalls der Kontaktelektroden als Aufdampfquelle zu verwenden. Durch starkes Erhitzen über den Schmelzpunkt verdampft oder verspritzt das Metall der Kontaktelektroden teilweise und schlägt sich an den Sacklöcherflanken nieder.
Die Fig. 4a, b, c verdeutlichen nochmals das Kontaktschema im einzelnen, die. Querschnittsdarstellungen einer fertig kontaktierten Dünnschichtsolarzelle zeigen. Auf dem Trägersubstrat 2 mit optionaler Isolationsschicht 4 befinden sich abwechselnd Kontaktelektroden 3a, 3b für den negativen und positiven Kontakt. Sie sind von der aktiven Solarzellenschicht 1 durch eine Schicht 5 isoliert. Oberhalb der Kontaktelektroden 3a, 3b befinden sich Sacklöcher 6a, 6b in der Solarzellenschicht 1. Da die Sacklöcher 6a über der Minuskontaktelektrode 3a bereits vor der Emitterbildung erzeugt worden sind, sind deren Flanken mit einer geschlossenen Emitterschicht 1a überzogen. Folglich bewirkt das in die Sacklöcher eingebrachte Metall 7 eine elektrische Verbindung der Emitterschicht 1a mit der Minuskontaktelektrode 3a. Die Sacklöcher 6b über der Pluskontaktelektrode 3b sind hingegen erst nach der Emitterbildung (durch die Emitterschicht an der Oberfläche hindurch) erzeugt worden. Das Metall 7 verbindet hier die Basis 1b mit der Plus- Kontaktelektrode 3b.
Die Emitterkontaktkanäle 6a können jedoch auch während der Herstellung der aktiven Solarzellenschicht 1 erzeugt werden. Dabei wird zunächst eine dünne Schicht 1b abgeschieden und in dieser werden die zur Emitterkontaktierung vorgesehenen Löcher wie oben beschrieben erzeugt. Zuvor kann die Schicht 1b auch umgeschmolzen oder auf andere Art rekristallisiert werden, um ihre kristallographische Qualität zu verbessern. Anschließend erfolgt dann vorzugsweise eine epitaktische Abscheidung der restlichen Solarzellenschicht 1b und 1a. In den Sacklöchern findet dabei kein Wachstum statt. Die Löcher und der Abscheideprozeß müssen aber entsprechend so gewählt werden, daß die Löcher nicht vom Rand her zuwachsen oder überwachsen werden. Sich nach oben stark verjüngende Löcher müssen vermieden werden, da dies eine Metallisierung durch bedampfen behindern würde. Kann jedoch, wie oben beschrieben, das Metall der Kontaktelektroden als Quelle zur Bedampfung genutzt werden, so sind sich nach oben verjüngende Kontaktlöcher sogar sehr vorteilhaft, wie es in Fig. 4b dargestellt ist.
Die Vorteile bei der Bildung der Emitterkontaktlöcher nach einer ersten Abscheidung wie vorstehend beschrieben sind die nur geringe zu erzeugende Tiefe der Sacklöcher, der größere Durchmesser der zu erzeugenden Löcher - da sie in der folgenden Abscheidung durch Wachstum an den Lochflanken wieder enger werden - und das Vermeiden von Schädigungen des Materials an den Lochflanken, wie sie bei der Erzeugung von Sacklöchern immer auftreten kann. Gerade die beiden ersten Tatsachen verringern den Herstellungsaufwand durch kürzere Prozeßzeiten und gröbere Maskierung enorm.
Die Basis 1b der Solarzelle kann prinzipiell auch auf andere Art kontaktiert werden. Voraussetzung dabei ist daß die Abscheidung zumindest der ersten Lagen der aktiven Schicht 1b (ca. einige Nanometer) bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Kontaktbahnmaterials liegt. Dazu wird vor der Abscheidung an den Stellen auf den entsprechenden Kontaktelektroden 3b, die Kontakt mit der Basis 1b haben sollen, die Isolationsschicht 5 entfernt oder gar nicht erst aufgebracht (siehe hierzu Fig. 4c). Durch dieses Verfahren erhält man durch die nachfolgenden Hochtemperaturschritte über dem Kontakt sogar zusätzlich eine hochdotierte Zone, ein sog. back surface field, was sich positiv auf die Solarzelle auswirkt.
Das Kontaktschema der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellenanordnung kann auch nur auf einen der beiden Kontakte, z. B. den Basiskontakt, d. h. die elektrische Verbindung zwischen der Basisschicht 1b und der Pluskontaktelektrode 3b, angewendet werden. Man erhält auf diese Weise eine Dünnschichtsolarzelle mit einem konventionellen vorderseitigen Emitterkontakt, aber neuartigem Rückseiten- Basiskontakt gemäß der Ausführungsform in Fig. 5a. Die Kontaktelektrode 3b für den Pluspol kann in diesem Konzept durch eine ganzflächige leitfähige Schicht aus Metall oder anderem leitfähigen Material, z. B. hochdotiertes Halbleitermaterial ersetzt werden. Diese Schicht 3b liegt dabei ganzflächig auf dem Trägersubstrat 2 auf. Der Basiskontakt wird wie oben beschrieben durch Kontaktkanäle 6b, die die aktive Solarzellenschicht 1 mit einer von dieser isolierten leitfähigen Schicht 5 verbinden, realisiert. Die Kontaktkanäle 6b können entweder wie oben beschrieben nach der Emitterbildung durch die aktive Schicht 1 und die Isolationsschicht 5 hindurch oder bereits vor der Abscheidung der aktiven Schicht 1 nur durch die Isolationsschicht 5 hindurch gefertigt werden (siehe Fig. 5b). Auch dies ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform.
Gleiches gilt für eine Dünnschichtsolarzelle, bei der gemäß Fig. 6 die Basis 1b über ein leitfähiges Substrat 2 unter dem die Pluspol-Kontaktelektrode 3b angeordnet ist, konventionell kontaktiert wird und nur die Emitterkontaktierung erfindungsgemäß erfolgt (s. Abb. 7). Dabei müssen die Kontaktelektroden 3a zur Emitterkontaktierung sowohl gegen die Basis 1b als auch gegen das Substrat 2 mittels Isolierschichten 4, 5 ummantelt sein.
Der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist die Möglichkeit immanent, gleichzeitig mit der Solarzelle 8 eine Schutzdiode 9 auf demselben Trägersubstrat zu erzeugen (siehe Fig. 7). Schutzdioden haben grundsätzlich die Aufgabe, die Solarzelle bei möglichen Fehlfunktionen zu überbrücken oder vor Schäden durch in Sperrichtung fließende Ströme aus dem äußeren Stromkreis zu schützen. Dies tritt in teilweise abgeschatteten Modulen aus mehreren Solarzellen auf. Schutzdioden werden deshalb parallel zu den Solarzellen in Modulen angebracht.
Mit der erfindungsmäßigen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist es nun möglich, Solarzelle 8 und Schutzdiode 9 in einem Bauteil zu kombinieren. Dazu wird ein Isolationsgraben 10 senkrecht zu den Kontaktelektroden 3a, 3b durch die aktive Solarzellenschicht 1 hindurch bis auf die Isolationsschicht 5 benötigt. Der Isolationsgraben 10 kann geätzt, gelasert, gesägt oder auf eine andere Art erzeugt werden und trennt die aktive Solarzellenschicht in einen Bereich, der als Solarzelle 8 funktioniert, und einen Bereich, der als Schutzdiode 9 dient.
Die Herstellung der Solarzelle zusammen mit der Schutzdiode erfolgt ansonsten wie vorstehend beschrieben. Dabei wird allerdings die Emitterschicht 1a der Schutzdiode 9 über entsprechende Kontaktkanäle 6a mit den Pluskontaktelektroden 3b, die Basisschicht 1b mit den Minuskontaktelektroden 3a verbunden. Dadurch wird die nötige Parallelverschaltung von Schutzdiode 9 und Solarzelle 8 mit umgekehrter Polarität automatisch realisiert.
Zur einfacheren Verschaltung im Modul oder äußeren Stromkreis können jeweils die Kontaktelektroden 3a, 3b, die den Emitter bzw. die Basis der Solarzelle kontaktieren am Ende des Bauelements durch eine quer verlaufende Leiterbahn 31a, 31b als sogenannter Bus, verbunden werden. Anstatt alle Gridfinger der Kontaktelektroden an den äußeren Stromkreis einzeln, genügt es dann jeweils den querliegenden Plus­ 31b bzw. Minuskontakt-Bus 31a zu kontaktieren. Dazu wird ein Teil des jeweiligen Busses freigelegt, d. h. die Solarzellen- und Isolationsschicht stellenweise entfernt.
Basierend auf der erfindungsmäßigen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist es weiterhin möglich, ein Modul von mehreren Solarzellen 81, 82, 83 auf einem monolithischen Substrat auf einfache Weise zu realisieren, wobei die Verschaltung der Solarzellen der Struktur immanent ist. Die Herstellung des Moduls erfolgt analog zur oben beschriebenen Herstellung einer einzelnen Solarzelle. Dabei wird die aktive Solarzellenschicht 1 entweder nur in räumlich getrennten Bereichen, welche dann den einzelnen Solarzellen entsprechen, abgeschieden oder eine homogene Schicht wird durch Trenngräben 10, die bis zur Isolationsschicht 5 reichen, in entsprechende Bereiche unterteilt (siehe Fig. 8, 9). Die Unterteilung erfolgt dabei entlang der Kontaktelektroden, d. h. die einzelnen Solarzellen sind senkrecht zu den Kontaktelektroden von einander getrennt. Die Parallelverschaltung aller Solarzellen 81, 82, 83 wird durch zwei Aspekte gewährleistet. Zum einen werden die Kontaktelektroden- nicht durchgängig aufgebracht, sondern derart, daß aufeinanderfolgende Solarzellen jeweils nur einen der beiden Kontaktelektroden- Typen gemeinsam zur Kontaktierung nutzen (Fig. 8). Zum anderen werden die Emitterschichten aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd mit dem jeweils anderen Kontaktelektroden-Typ verbunden. Ist beispielsweise der Emitter der Zelle 81 mit den Pluskontaktelektrode verbunden, so wird Zelle 82 mit den Minuskontaktelektrode verbunden, Zelle 83 wieder mit den Pluskontaktelektrode und so fort. Entsprechend werden die Basen aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd mit den Minus- und den Pluskontaktelektroden kontaktiert. Dies wird dadurch realisiert, daß die Emitterkontaktlöcher 6a aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd über den Minus- bzw. Pluskontaktelektroden erzeugt werden. Entsprechendes gilt für die Basiskontaktlöcher 6b. Da alle Emitter- 6a bzw. Basiskontaktlöcher 6b gleichzeitig für alle Solarzellen hergestellt werden können, wird, abgesehen von den Trenngräben, kein zusätzlicher Prozeßschritt benötigt um statt einer einzelnen Solarzelle ein ganzes Modul zu fertigen.
Fig. 9 zeigt zwei Längsschnitte durch ein solches Modul entlang einer Minus- 3a bzw. Pluskontaktelektrode 3b. Entlang einer Kontaktelektrode werden abwechselnd Emitter 1a bzw. Basis 1b aufeinanderfolgender Solarzellen kontaktiert und durch die Kontaktelektroden verbunden. Dabei sind zwei aufeinanderfolgende Zellen nur durch einen Kontaktelektroden-Typ verbunden. Dies ist eine Parallelverschaltung aller Solarzellen auf dem monolithischen Modul. Eine Verlötung oder Verkabelung der einzelnen Zellen ist nicht mehr nötig.
Wie oben beschrieben, kann in einem solchen Modul durch die Erfindung auch für jede Solarzelle schon bei der Herstellung eine Schutzdiode integriert werden. Man erhält damit eine elektrisch abgesicherte monolithische Spannungsquelle, deren Spannung über die Anzahl der Solarzellen an die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers angepaßt werden kann.
Bezugszeichenliste
1
aktive Solarzellenschicht
1
a Emitterschicht, Halbleiter-Schichtbereich eines Dotiertyps
1
b Basisschicht, Halbleiter-Schichtbereich des anderen Dotiertyps
2
Trägersubstrat
3
a Kontaktelektrode, Minuspol-Kontaktelektrode
3
b Kontaktelektrode, Pluspol-Kontaktelektrode
31
a,
31
b Buskontaktelektrode
4
Isolationsschicht
5
Isolationsschicht
6
a Kontaktkanal, Emitterkontaktkanal
6
b Kontaktkanal, Basiskontaktkanal
7
leitfähiges Material, bspw. Metall
8
Solarzelle
81
,
82
,
83
parallelgeschaltete Solarzellen
9
Schutzdiode
10
Isolationsgraben

Claims (15)

1. Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat (2) angeordneten Solarzellenschicht (1), die wenigstens einen n­ leitenden (Emitter) (1a) und wenigstens einen p-leitenden (Basis) (1b) Halbleiter- Schichtbereich aufweist, sowie eine erste (3b) und zweite (3a) Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter (1a) bzw. der Basis (1b) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht (4) auf dem Trägersubstrat (2) wenigstens die erste Kontaktelektrode (3b) aufgebracht ist, über der eine elektrische Isolationsschicht (5) vorgesehen ist, und über der Isolationsschicht (5) die Solarzellenschicht (1) angeordnet ist,
  • - daß wenigstens ein Kontaktkanal (6b) die Isolationsschicht (5) und/oder die Solarzellenschicht (1) derart durchsetzt, daß mittels eines innerhalb des Kontaktkanals (6b) vorgesehenen elektrisch leitenden Materials (7) die erste Kontaktelektrode (3b) und der zu der Polarität dieser ersten Kontaktelektrode (3b) entsprechende Halbleiter-Schichtbereich (1b) innerhalb der Solarzellenschicht (1) miteinander elektrisch verbunden sind, und
  • - daß entweder die zweite Kontaktelektrode (3a) mit dem zu dieser Polarität entsprechenden Halbleiter-Schichtbereich (1a) unmittelbar elektrisch kontaktiert ist oder daß die zweite Kontaktelektrode (3a) ebenfalls wie die erste Kontaktelektrode (3b) über dem Trägersubstrat (2) und unter der elektrischen Isolationsschicht (5) und Solarzellenschicht (1) angeordnet ist, und daß wenigstens ein Kontaktkanal (6a) die Isolationsschicht (5) und/oder die Solarzellenschicht (1) derart durchsetzt, daß mittels eines innerhalb des Kontaktkanals (6a) vorgesehenen elektrisch leitenden Materials (7) die zweite Kontaktelektrode (3a) und der zu dieser Polarität entsprechende Halbleiter-Schichtbereich (1a) innerhalb der Solarzellenschicht (1) miteinander elektrisch verbunden sind.
2. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der n-leitende (1a) und p-leitende (1b) Halbleiter- Schichtbereich in Art einer Sandwichstruktur als flächig ausgebildete Schichten übereinander angeordnet sind.
3. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden (3a, 3b) als Leitbahnen in Form von ineinandergreifende Gridfinger ausgebildet sind und gemeinsam über dem Trägersubstrat (2) und unter der elektrischen Isolationsschicht (5) und Solarzellenschicht (1) derart angeordnet sind, daß sie gegenseitig beanstandet sind.
4. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkanäle (6a, 6b) durch die Solarzellenschicht (1) und die Isolationsschicht (5) hindurchtretende Sacklöcher sind, die einseitig durch die jeweilige Kontaktelektrode begrenzt sind.
5. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung des oberen Halbleiterschichtbereichs (1a) mit der zweiten Kontaktelektrode (3a) der hohl ausgebildete Kontaktkanal (6a) bis zur Isolationsschicht (5) inwandig mit dem gleichen oder gleichartigen Halbleitermaterial ausgekleidet ist, aus dem die obere Halbleiterschicht (1a) besteht und wenigstens teilweise im Inneren des Kontaktkanals (6a) ein elektrisch leitendes Material (7) eingebracht ist, das die zweite Kontaktelektrode (3a) mit dem inwandigen Halbleitermaterial elektrisch verbindet, daß zur elektrischen Kontaktierung der unteren Halbleiterschicht (1b) mit der ersten Kontaktelektrode (3b) der hohl ausgebildete Kontaktkanal (6b) beide Halbleiterschichten (1a, 1b) sowie die Isolationsschicht (5) bis zur Kontaktelektrode (3b) bündig durchstößt und wenigstens teilweise im Inneren des Kontaktkanals (6b) ein elektrisch leitendes Material (7) eingebracht ist, das die erste Kontaktelektrode (3b) mit der unteren Halbleiterschicht (1b) elektrisch verbindet.
6. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als hohle Sacklöcher ausgebildeten Kontaktkanäle (6a, 6b) jeweils eine Innenkontur in Gestalt eines geraden Zylinders oder eines Kegelstumpfes aufweisen.
7. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktelektrode (3b) flächig ausgebildet und unmittelbar über der Trägerschicht (2) angeordnet ist und daß die zweite Kontaktelektrode (3a) als Leitbahn ausgebildet und unmittelbar auf der oberen Halbleiterschicht (1a) mit dieser elektrisch verbunden liegt.
8. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß lateral getrennt und/oder elektrisch isoliert neben der Solarzellenschicht (1) auf dem Trägersubstrat (2) eine Schutzdiodenstruktur (9) aufgebracht ist, die eine identische Solarzellenschicht (1) aufweist, deren n- und p­ leitende Halbleiter-Schichtbereiche (1a, 1b) mit der ersten (3b) und zweiten (3a) Kontaktelektrode derart elektrisch kontaktiert sind, daß die Kontaktierung der Halbleiterbereiche verglichen zur benachbarten Solarzellenschicht mit umgekehrter Polarität erfolgt.
9. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der n-leitende Halbleiterschichtbereich (1a) mit der Kontaktelektrode (3b) positiver Polarität und der p-leitende Halbleiterschicht (1b) mit der Kontaktelektrode (3a) negativer Polarität verbunden ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
  • - auf einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat (2) werden unmittelbar oder getrennt durch eine Isolationsschicht (4), die flächig auf das Trägersubstrat (2) aufgebracht wird, zwei Kontaktelektroden (3a, 3b) unterschiedlicher Polarität mit einem gegenseitigen Abstand aufgebracht,
  • - über den Kontaktelektroden (3a, 3b) wird eine, die Kontaktelektroden vollständig überdeckende Isolationsschicht (5) aufgebracht,
  • - auf der die Kontaktelektroden (3a, 3b) überdeckenden Isolationsschicht (5) wird eine flächig ausgebildete Halbleiterschicht (1b) eines ersten Dotiertyps aufgebracht,
  • - durch die Halbleiterschicht (1b) hindurch bishin zur, die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht (5) werden als hohle Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle (6a) eingebracht, die unmittelbar über der Kontaktelektrode (3a) einer Polarität angeordnet sind,
  • - auf der mit Kontaktkanälen (6a) versehenen, flächig ausgebildeten Halbleiterschicht (1b) wird eine Halbleiterschicht (1a) eines zweiten Dotiertyps oberflächendeckend aufgebracht,
  • - die bereits eingebrachten Kontaktlöcher (6a) werden bis zur Kontaktelektrode (3a) durch die Isolationsschicht (5) hindurch verlängert,
  • - durch die Halbleiterschichten des ersten (1b) und zweiten (1a) Dotiertyps sowie durch die Isolationsschicht (5) hindurch werden als hohle Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle (6b) eingebracht, die unmittelbar auf der Kontaktelektrode (3b) der anderen Polarität münden, und
  • - zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelektroden (3a, 3b) mit den jeweiligen Halbleiterschichten (1a, 1b) werden die Kontaktkanäle (6a, 6b) zumindest an ihren unteren Bereichen mit elektrisch leitendem Material (7) gefüllt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps p­ dotiert ist und als Basisbereich dient und die Halbleiterschicht (1a) des zweiten Dotiertyps n-dotiert ist und als Emitterbereich dient.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer strukturierten Dünnschichtsolarzelle lateral zur Erstreckung der Halbleiterschichten diese abschnittsweise bis hinab zur, die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht durch Isoliergräben (10) durchtrennt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Schutzdiode (9) auf dem Trägersubstrat (2) die Kontaktierung der Halbleiterschichten (1a, 1b) in einem abgetrennten Abschnitt umgekehrt zur Kontaktierung der übrigen Halbleiterschichten der Solarzelle (8) erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode (3b), die mit der Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps elektrisch verbunden wird, mit der Isolationsschicht (5) nur teilweise überdeckt wird, so daß ein nachträgliches Abscheiden der Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps unmittelbar mit der Kontaktelektrode in elektrische Verbindung tritt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktelektroden (3a, 3b) metallische Leiterbahnen verwendet werden, die zur Einbringung eines elektrisch leitenden Materials in die Kontaktkanäle als Quelle zum Aufdampfen von Metall dienen.
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