DE212013000122U1 - Hybrid-Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle, die folgende Merkmale aufweist: eine Absorberschicht zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine erste Seite der Absorberschicht einfällt; einen Homoübergangskontakt, der auf der ersten Seite der Absorberschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität; eine Passivierungsschicht, die auf einer zweiten Seite der Absorberschicht gebildet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt und die Passivierungsschicht eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der zweiten Seite der Absorberschicht in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion aufweist; und einen dotierten Heteroübergangskontakt, der auf der zweiten Seite der Absorberschicht über der Passivierungsschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht aufweist, wobei die Passivierungsschicht eine oder mehrere Kontaktöffnungen aufweist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine dotierte Heteroübergangsschicht aufweist, die über der Passivierungsschicht abgeschieden ist, wobei die dotierte Heteroübergangsschicht einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte beinhaltet, die in der einen oder mehreren jeweiligen Kontaktöffnungen gebildet sind, wobei die vorstehenden Heteroübergangskontakte punktartig, streifenartig oder gitterartig geformt sind und ein Prozentsatz der Oberflächenfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die eine Oberfläche der Absorberschicht passiviert, zu der Gesamtoberflächenfläche, die die Oberfläche der Absorberschicht passiviert, etwa 3% bis 20% beträgt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybrid-Solarzelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben und insbesondere auf eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle (d. h. mit Homoübergangs- und Heteroübergangskontakten).
  • Hintergrund
  • Eine herkömmliche industrielle Silizium-Wafer-Solarzelle 100 ist in 1 gezeigt. Üblicherweise wird ein p-Typ-Silizium-(Si)-Wafer 102 verwendet. Eine Überschussladungsträger-Trennung wird durch einen vorderseitigen, flächigen diffundierten p/n+-Homoübergang (Emitterschicht für Minoritätsträger-Sammlung) 104 mit Punkt-(oder Linien-)Metallkontakten 106 und einen rückseitigen, flächigen diffundierten p/p+-Homoübergang (Rückoberflächenfeld-(BSF-)Schicht (BSF = Back-Surface Field) für Majoritätsträger-Sammlung) 108 mit einem flächigen Al-Metallkontakt 110 erzielt. Eine Passivierungsschicht 112, die aus Siliziumnitrid (SiNx) hergestellt ist, ist auf dem vorderseitigen diffundierten Homoübergang 104 abgeschieden. Der vorderseitige p/n+-diffundierte Homoübergang 104 kann beispielsweise Phosphor-diffundiertes kristallines Silizium (Ph-diffundiertes c-Si(n+)) sein und der rückseitige p/p+-diffundierte Homoübergang 108 kann Aluminium-diffundiertes kristallines Silizium (Al-diffundiertes c-Si(p+)) sein. Der vorderseitige und der rückseitige Homoübergang 104, 108 ist jeweils durch einen Hochtemperatur-Thermodiffusionsprozess und Hochtemperatur-Kontaktbrennen gebildet. Um die erzeugten Minoritätsträger (Elektronen) wirksam zu sammeln, befindet sich der Emitter (d. h. der p/n-Übergang) 104 auf der Vorderseite der Solarzelle 100.
  • Um den Zellenwirkungsgrad zu verbessern, wird allgemein die Verwendung von n-Typ-Si-Wafern vorgeschlagen. So kann die lichtinduzierte Verschlechterung, die bei p-Typ-Cz-Silizium zu beobachten ist (aufgrund metastabiler Bor-Sauerstoff-Komplexe) vermieden werden und außerdem können höhere Leerlaufspannungen erreicht werden. Dies ist so, da in c-Si ein Elektroneneinfallkoeffizient üblicherweise höher ist als ein Locheinfallkoeffizient, wobei so n-Typ-c-Si eine geringere Minoritätsträger-Rekombinationsrate aufweist. Herkömmlicherweise gibt es allgemein zwei Techniken zum Verbessern des Wirkungsgrads für eine vorne kontaktierte Solarzelle. Die erste Technik ist in 2A und 2B dargestellt, die Homoübergang-Solarzellen 200, 220 betrifft, die beide diffundierte Vorder- und Rück-Homoübergänge mit Punkt-(oder Linien-)Metallkontakten 204 aufweisen. 2A stellt flächige diffundierte Homoübergänge 202 mit Metall-Punkt-(oder-Linien)Kontakten 204 dar und 2B stellt lokale diffundierte Homoübergänge 222 mit Metall-Punkt-(oder-Linien-)Kontakten 204 dar. Die zweite Technik ist in 2C dargestellt, die eine Heteroübergang-Solarzelle 240 betrifft, die flächige abgeschiedene Vorder- als auch Rück-Heteroübergänge 242 mit flächigen „metallischen” Kontakten 244 aufweist, die aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO; TCO = Transparent Conductive Oxide) bestehen.
  • Wenn ein diffundierter Rück-Homoübergang mit Metall-Punkt/Linien-Kontakten 204 verwendet wird (d. h. herkömmlicher Homoübergang-Ansatz), wird eine Oberflächenpassivierung üblicherweise durch ein Bereitstellen von elektrisch isolierenden Passivierungsschichten 224 erzielt, die eine große Menge an Grenzflächenladungen beinhalten können, die die Oberflächenpassivierung verbessern (Feldeffektpassivierung). Üblicherweise wird Siliziumnitrid, SiNx, aufgrund seiner großen Menge an positiver Grenzflächenladung verwendet. Kleine Öffnungen sind innerhalb dieser elektrisch isolierenden Passivierungsschicht 224 gebildet, damit Metallkontakte 204 in denselben gebildet werden können. Es gibt zwei Typen diffundierter Homoübergangskontakte, d. h. es wird entweder eine flächige Diffusion 202 verwendet, die lokal durch die Metall-Punkt/Linien-Kontakte 204 kontaktiert wird (siehe 2A), oder eine lokale Diffusion 224 unterhalb der Metall-Punkt/Linien-Kontakte 204 wird verwendet (siehe 2B). Letzterer Ansatz erhöht das Leerlaufspannungspotential der Solarzelle 220, da weniger rekombinationsaktive Regionen innerhalb des Wafers vorliegen, was jedoch den Aufwand bedeutet, dass eine Diffusionsmaske aufgewachsen/abgeschieden und strukturiert werden muss.
  • Wenn ein als Dünnfilm abgeschiedener flächiger Rück-Heteroübergang 242 mit flächigen TCO-Kontakten 244 verwendet wird (d. h. herkömmlicher Heteroübergang-Ansatz), wird eine Oberflächenpassivierung üblicherweise durch Bereitstellen elektrisch leitender Dünnfilm-Heteroübergangsschichten erzielt. Dies ist typischerweise intrinsisches hydriertes amorphes Ultradünnfilm-(< 10 nm)Silizium, a-Si:H(i), das ferner durch p- oder n-dotiertes hydriertes amorphes Dünnfilm-(< 30 nm)Silizium (a-Si:H(p+) oder a-Si:H(n+) bedeckt ist, um den Emitter und die Rückoberflächenfeld-(BSF-)Region der Solarzelle 240 zu bilden. Um die flächigen Kontakte zu bilden, wird eine transparente leitfähige Oxid-(TCO-)Dünnfilm-Schicht 244 auf die Dünnfilm-Siliziumschichten aufgebracht. Das TCO stellt eine seitliche Leitfähigkeit sicher und dient außerdem als ein wirksamer Rückreflektor. Die Metallkontakte 204 sind auf dem TCO gebildet, um den Strom zu extrahieren.
  • Trotz des Erfolges dieser beiden Ansätze haben beide jedoch auch Nachteile. Beispielsweise leiden herkömmliche diffundierte Homoübergang-Silizium-Wafer-Solarzellen unter einem relativ geringen Leerlaufpotential (VOC), und zwar aufgrund (i) diffundierter Regionen innerhalb des Wafers, die auch Regionen mit erhöhter Rekombination sind, und (ii) einer hohen Kontaktrekombination, da der metallische Kontakt den Solarzellen-Absorber direkt berührt. Ferner gibt es ein technologisches Hindernis in Bezug auf die Bor-p+-Diffusion. Die Bordiffusion beinhaltet eine Anzahl von Problemen, einschließlich eines relativ geringen Durchsatzes, eines relativ hohen Wärmebudgets (> 1000°C) und einer hohen Wartungsanforderung für das Rohr (Entfernung von Rohrpulver), außerdem ist dies ein relativ instabiler Prozess. Im Vergleich dazu hat sich gezeigt, dass als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergang-Silizium-Wafer-Solarzellen die höchsten VOC-Werte erreichen können. Insbesondere die TCO-Schichten jedoch, die benötigt werden, um eine gute seitliche Leitfähigkeit sowie eine gute Rückseitenreflexion sicherzustellen, benötigen einen zusätzlichen Prozess (d. h. Sputtern) und fügen so wesentliche Kosten hinzu. Zusätzlich ist es aufgrund parasitärer Absorptionen in dem TCO und des Bedarfs nach spezialisierten Niedertemperatur-kompatiblen Siebdruckpasten schwierig, eine hohe Kurzschlussstromdichte (Jsc) und hohe Füllfaktoren (FF) in Heteroübergang-Silizium-Solarzellen zu erzielen, die über einen Vorderseitenkontakt verfügen.
  • Ein Kombinieren der obigen beiden Ansätze (Homoübergang- und Heteroübergang-Solarzellen-Architekturen) unter Verwendung standardmäßiger industrieller Prozesse andererseits würde mehrere Nachteile bedeuten. Dies ist so, da die Standardprozesse, die zur Homoübergangskontaktbildung und Heteroübergangskontaktbildung verwendet werden, im Prinzip nicht prozess-kompatibel sind. Die Standard-Homoübergangskontaktbildung (unter Verwendung von Siebdrucken) erfordert einen Hochtemperatur-Prozessschritt (Kontaktbrennen bei einer Temperatur (T) ≥ 800°C), um einen niederohmigen Kontakt des Metallgitters zu dem Silizium-Wafer sicherzustellen. Umgekehrt können als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergangsschichten keinen Temperaturen über 350°C standhalten, da bei erhöhten Temperaturen ein Ausströmen von Wasserstoff aus den Dünnfilmschichten einsetzt, was mit einer wesentlichen Verschlechterung der Oberflächenpassivierung korreliert ist (führt zu einem wesentlichen Abfall der Leerlaufspannung und so des Solarzellenwirkungsgrads). Deshalb macht es die Hochtemperatur-Anforderung für eine Standard-Siebdruck-Homoübergangskontaktbildung erforderlich, den diffundierten Homoübergangskontakt vollständig fertigzustellen, bevor die Dünnfilm-Heteroübergangsschichten abgeschieden werden. Dies wiederum würde ein Problem erzeugen, dass metallisierte Schichten in die Kammer zur plasmagestützten chemischen Aufdampfung (PECVD; PECDV = Plasma-Enhances Chemical Vapor Deposition) eintreten müssten, die für die Dünnfilm-Heteroübergangschichtabscheidung verwendet wird.
  • Dies ist wieder nicht kompatibel mit den hohen Oberflächenpassivierungsanforderungen der Dünnfilm-PECVD-Schichtabscheidungsprozesse, da die Metall-Kreuzkontamination während des PECVD-Prozesses die qualitativ hochwertige Oberflächenpassivierung von intrinsischem amorphen Silizium verdirbt, das üblicherweise als eine Pufferschicht verwendet wird, um die höchste Oberflächenpassivierung sicherzustellen (führt wiederum zu einem wesentlichen Abfall der Leerlaufspannung und so des Solarzellenwirkungsgrads). Ferner kann der rückseitige TCO-Kontakt unter Verwendung einer flächigen Metallisierung, die die Heteroübergangsschicht direkt kontaktiert, nicht weggelassen werden, da ein a-Si:H/Metall-Kontakt ein schlechter Rückseiten-Reflektor ist. So ist momentan keine industriell machbare Hybrid-(Homoübergang/Heteroübergang-)Solarzellenarchitektur verfügbar, die die Vorteile einer Heteroübergangskontaktbildung (d. h. höhere Leerlaufspannung, keine Bor-Diffusion) mit den Vorteilen einer Homoübergangskontaktbildung (d. h. kein TCO-Kontakt und so ein höherer Kurzschlussstrom) kombinieren könnte.
  • Vor diesem Hintergrund wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist:
    Bereitstellen einer Absorberschicht zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine erste Seite der Absorberschicht einfällt;
    Bilden eines Homoübergangskontakts auf der ersten Seite der Absorberschicht zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität;
    Bilden einer Passivierungsschicht auf einer zweiten Seite der Absorberschicht, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt und die Passivierungsschicht eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der zweiten Seite der Absorberschicht in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion aufweist; und
    Bilden eines dotierten Heteroübergangskontakts auf der zweiten Seite der Absorberschicht über der Passivierungsschicht zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht aufweist,
    wobei der Schritt des Bildens des dotierten Heteroübergangskontakts ein Bilden einer oder mehrerer Kontaktöffnungen in der Passivierungsschicht und ein Abscheiden einer dotierten Heteroübergangsschicht über der Passivierungsschicht aufweist, wobei die dotierte Heteroübergangsschicht einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte beinhaltet, die innerhalb der einen oder mehreren jeweiligen Kontaktöffnungen gebildet sind.
  • Vorzugsweise weist der Schritt des Bildens des Homoübergangskontakts ein Diffundieren eines Dotiermittels in die erste Seite der Absorberschicht, um eine diffundierte Region zu bilden, und ein Bilden eines ersten Kontakts auf der diffundierten Region über Siebdrucken und darauf folgendes Kontaktbrennen auf.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt des Abscheidens der dotierten Heteroübergangsschicht vor dem Schritt des Bildens des ersten Kontakts durchgeführt und Abschnitte der Absorberschicht, die grenzflächig mit Oberflächen der vorstehenden Heteroübergangskontakte verbunden sind, sind anfällig für eine Oberflächenpassivierungsverschlechterung aufgrund eines Hochtemperaturzustands während des Schritts des Bildens des ersten Kontakts.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Schritt des Bildens des ersten Kontakts vor dem Schritt des Abscheidens der dotierten Heteroübergangsschicht durchgeführt und Abschnitte der Absorberschicht, die grenzflächig mit Oberflächen der vorstehenden Heteroübergangskontakte verbunden sind, sind anfällig für eine Oberflächenpassivierungsverschlechterung aufgrund einer Metall-Kreuzkontamination während des Schritts des Abscheidens der dotierten Heteroübergangsschicht.
  • Vorzugsweise wird das Kontaktbrennen bei einer Temperatur von 800°C oder mehr durchgeführt.
  • Vorzugsweise wird die dotierte Heteroübergangsschicht unter Verwendung einer plasmagestützten chemischen Aufdampfung (PECVD) bei einer Temperatur von 350°C oder weniger abgeschieden.
  • Vorzugsweise ist das Dotiermittel, das in die erste Seite der Absorberschicht diffundiert, Phosphor oder Aluminium.
  • Vorzugsweise ist der erste Kontakt aus einem Metall oder einen Stapel aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO)/Metall hergestellt.
  • Vorzugsweise sind die vorstehenden Heteroübergangskontakte punktartig, streifenartig oder gitterartig geformt.
  • Vorzugsweise beträgt ein Prozentsatz der Oberflächenfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die eine Oberfläche der Absorberschicht passiviert, zu der Gesamtoberflächenfläche, die die Oberfläche der Absorberschicht passiviert, etwa 3% bis 20%.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes mikrokristallines Silizium (μc-Si:H) auf und der Prozentsatz liegt zwischen etwa 4% und 6%. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes amorphes Silizium (a-Si:H) auf und der Prozentsatz liegt zwischen etwa 10% und 15%.
  • Vorzugsweise ist die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiNx) für die positive Oberflächenladung oder Aluminiumoxid (AlOx) für die negative Oberflächenladung hergestellt.
  • Vorzugsweise ist die Absorberschicht aus kristallinem p-Typ- oder n-Typ-Silizium hergestellt.
  • Vorzugsweise weist die dotierte Heteroübergangsschicht eine oder mehrere Dünnfilmschichten auf, die hergestellt sind aus dotiertem hydrierten amorphen Silizium (a-Si:H), dotiertem hydrierten mikrokristallinen Silizium (μc-Si:H), einem Stapel aus intrinsischem a-Si:H/dotiertem a-Si-H, einem Stapel aus intrinsischem hydrierten amorphen Siliziumoxid (a-SiOx:H)/dotiertem a-Si:H, oder einem Stapel aus intrinsischem a-SiOx:H/dotiertem μc-Si:H.
  • Vorzugsweise ist die erste Seite der Absorberschicht eine Vorderseite und die zweite Seite der Absorberschicht eine Rückseite.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist:
    eine Absorberschicht zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine erste Seite der Absorberschicht einfällt;
    einen Homoübergangskontakt, der auf der ersten Seite der Absorberschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität;
    eine Passivierungsschicht, die auf einer zweiten Seite der Absorberschicht gebildet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt und die Passivierungsschicht eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der zweiten Seite der Absorberschicht in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion aufweist; und
    einen dotierten Heteroübergangskontakt, der auf der zweiten Seite der Absorberschicht über der Passivierungsschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht aufweist,
    wobei die Passivierungsschicht eine oder mehrere Kontaktöffnungen aufweist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine dotierte Heteroübergangsschicht aufweist, die über der Passivierungsschicht abgeschieden ist, wobei die dotierte Heteroübergangsschicht einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte beinhaltet, die innerhalb der einen oder mehreren jeweiligen Kontaktöffnungen gebildet sind.
  • Vorzugsweise weist der Homoübergangskontakt eine diffundierte Region, die durch Diffundieren eines Dotiermittels in die erste Seite der Absorberschicht gebildet ist, und einen ersten Kontakt auf, der auf der diffundierten Region über Siebdrucken und darauf folgendes Kontaktbrennen gebildet ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind Abschnitte der Absorberschicht, die grenzflächig mit Oberflächen der vorstehenden Heteroübergangskontakte verbunden sind, anfällig für eine Oberflächenpassivierungsverschlechterung aufgrund eines Hochtemperaturzustands während der Bildung des ersten Kontakts.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind Abschnitte der Absorberschicht, die grenzflächig mit Oberflächen der vorstehenden Heteroübergangskontakte verbunden sind, anfällig für eine Oberflächenpassivierungsverschlechterung aufgrund einer Metall-Kreuzkontamination während der Abscheidung der dotierten Heteroübergangsschicht.
  • Vorzugsweise ist das Dotiermittel, das in die erste Seite der Absorberschicht diffundiert, Phosphor.
  • Vorzugsweise ist der erste Kontakt aus einem Metall oder einem Stapel aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO)/Metall hergestellt.
  • Vorzugsweise sind die vorstehenden Heteroübergangskontakte punktartig, streifenartig oder gitterartig geformt.
  • Vorzugsweise beträgt ein Prozentsatz der Oberflächenfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die eine Oberfläche der Absorberschicht passiviert, zu der Gesamtoberflächenfläche, die die Oberfläche der Absorberschicht passiviert, etwa 3% bis 20%.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes mikrokristallines Silizium (μc-Si:H) auf und der Prozentsatz liegt zwischen etwa 4% und 6%. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes amorphes Silizium (a-Si:H) auf und der Prozentsatz liegt zwischen etwa 10% und 15%.
  • Vorzugsweise ist die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiNx) für die positive Oberflächenladung oder Aluminiumoxid (AlOx) für die negative Oberflächenladung hergestellt.
  • Vorzugsweise ist die Absorberschicht aus kristallinem p-Typ- oder n-Typ-Silizium hergestellt.
  • Vorzugsweise weist die Heteroübergangsschicht eine oder mehrere Dünnfilmschichten auf, die hergestellt sind aus dotiertem hydrierten amorphen Silizium (a-Si:H), dotiertem hydrierten mikrokristallinen Silizium (μc-Si:H), einem Stapel aus intrinsischem a-Si:H/dotiertem a-Si-H, einem Stapel aus intrinsischem hydrierten amorphen Siliziumoxid (a-SiOx:H)/dotiertem a-Si:H, oder einem Stapel aus intrinsischem a-SiOx:H/dotiertem μc-Si:H.
  • Vorzugsweise ist die erste Seite der Absorberschicht eine Vorderseite und die zweite Seite der Absorberschicht eine Rückseite.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden für einen Fachmann auf diesem Gebiet aus der folgenden lediglich beispielhaften Beschreibung und in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich sein. Es zeigen:
  • 1 eine herkömmliche Homoübergang-Solarzelle;
  • 2A eine weitere herkömmliche Homoübergang-Solarzelle;
  • 2B wiederum eine weitere herkömmliche Homoübergang-Solarzelle;
  • 2C eine herkömmliche Heteroübergang-Solarzelle;
  • 3A eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3B eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3C eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle gemäß wiederum einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ein Verfahren zum Herstellen einer Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5A bis 5D Anfangsschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Hybrid-Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5E bis 5H nachfolgende Schritte des Verfahrens, das in der Lage ist, eine Metall-Kreuzkontamination zu tolerieren; und
  • 6A bis 6D nachfolgende Schritte des Verfahrens, das in der Lage ist, eine kurze Hochtemperatur-Behandlung zu tolerieren.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung möchten eine industriell machbare hocheffiziente Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle mit einem Homoübergangskontakt auf einer ersten Seite (z. B. Vorderseite) und einem Heteroübergangskontakt auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite (z. B. Rückseite) der Hybrid-Solarzelle bereitstellen. Bei exemplarischen Ausführungsbeispielen weist die Hybrid-Solarzelle eine diffundierte Homoübergangskontaktbildung auf der Vorderseite der Solarzelle und eine als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergangskontaktbildung auf der Rückseite der Solarzelle auf, wodurch die Heteroübergang-Überschussladungsträger-Extraktion durch den Heteroübergangskontakt umgesetzt wird, der einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte (z. B. punktartige, streifen- oder linienartige oder gitterartige Kontakte) anstelle von flächigen Heteroübergangskontakten aufweist.
  • Mit den vorstehenden Heteroübergangskontakten gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird eine Ladungsträgertrennung von Elektronen oder Löchern innerhalb des Solarzellenabsorbers direkt unter Verwendung einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht zur Oberflächenpassivierung eingerichtet, die entweder eine große Menge an positiver Ladung (z. B. Siliziumnitrid, SiNx) oder negativer Oberflächenladung (z. B. Aluminiumoxid, AlOx) aufweist, was die Oberfläche des Siliziumwafers in eine starke Inversion oder in eine starke Akkumulation treibt. Eine Ladungsträgerextraktion wird dann durch eine oder mehrere lokale Öffnungen der Passivierungsschicht, gefolgt durch eine flächige Abscheidung einer (oder mehreren) elektrischen leitenden Dünnfilm-Heteroübergangsschichten auf der Passivierungsschicht umgesetzt, wodurch vorstehende Heteroübergangskontakte innerhalb der einen oder mehreren lokalen Öffnungen gebildet werden. Die effektive Dotierung dieser Dünnfilm-Heteroübergangsschichten ist entgegengesetzt zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht, damit die gesammelten Überschussladungsträger extrahiert werden können. Mit den vorstehenden Heteroübergangskontakten ist es, da keine diffundierte Fläche unterhalb der Metallkontakte gebildet wird, aufgrund eines reduzierten Kontakts und einer reduzierten Volumen-Rekombination möglich, dass die Solarzelle höhere Leerlaufspannungen erreichen kann.
  • Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der vorstehende Heteroübergangskontakt zur Überschussladungsträgerextraktion eines Typs (d. h. Elektronen oder Löcher) an der Rückseite der Solarzelle mit einem (flächigen oder lokal) diffundierten Homoübergangskontakt für eine Überschussladungsträgerextraktion des anderen Typs (d. h. Löcher oder Elektronen) an der Vorderseite der Solarzelle kombiniert. Diese Hybrid-Solarzellenarchitektur führt zu folgenden Vorteilen:
    • (1) Das hohe Kurzschlusspotential Isc einer diffundierten Homoübergang-Solarzelle kann ausgenutzt werden.
    • (2) Das hohe Leerlaufpotential Voc einer Heteroübergang-Solarzelle kann ausgenutzt werden.
    • (3) Phosphordiffusion (was ein robuster und etablierter Prozess in der Solarzellenindustrie ist) kann für die diffundierte Homoübergangskontaktbildung verwendet werden, wodurch der Vorteil des „Getterns” erhalten bleibt, während die problematische Bordiffusion (die ein vergleichsweise instabiler Prozessschritt mit einem sehr schmalen Prozessfenster ist) weg gelassen wird, indem stattdessen eine p-dotierte als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergangsschicht verwendet wird.
    • (4) Die Verwendung von gesputterten (und teuren) transparenten leitfähigen Oxidschichten kann vermieden werden, was die Anzahl von Prozessschritten reduziert.
    • (5) Ein Großteil der gegenwärtig eingesetzten Produktionsausrüstung bei den Herstellern photovoltaischer Zellen kann erhalten bleiben, während dennoch die Vorteile einer Verwendung von Heteroübergängen für die Solarzellenkontaktbildung ausgenutzt werden (d. h. Erzielen einer hohen Voc).
  • Wie unter Hintergrund beschrieben wurde, sind die Standardprozesse, die zur Homoübergangskontaktbildung (Hochtemperatur-Anforderungen, um ohmsche Metall/Silizium-Kontakte über Siebdrucken zu bilden) und zur Heteroübergangskontaktbildung (Niedertemperatur-Anforderung, d. h. Temperatur < 350°C, um ein Wasserstoffentweichen und deshalb eine Verschlechterung einer Oberflächenpassivierung zu vermeiden) verwendet werden, im Prinzip nicht prozesskompatibel. Die Hochtemperaturanforderung für die Standard-Siebdruck-Homoübergangskontaktbildung macht die vollständige Fertigstellung des diffundierten Homoübergangskontakts durch Anwenden eines Hochtemperatur-Kontaktbrennens (> 800°C) vor einem Abscheiden der Dünnfilm-Heteroübergangsschichten erforderlich. Dies wiederum würde jedoch das Problem erzeugen, dass metallisierte Schichten in die Kammer zur plasmagestützten chemischen Aufdampfung (PECVD), die zur Dünnfilm-Heteroübergangsschicht-Abscheidung verwendet wird, eintreten müssen. Dies wiederum ist nicht kompatibel mit den hohen Oberflächenpassivierungsanforderungen der Dünnfilm-PECVD-Schicht-Abscheidungsprozesse, da eine Metall-Kreuzkontamination während des PECVD-Prozesses die qualitativ hochwertige Oberflächenpassivierung von intrinsischem amorphen Silizium verdirbt, das üblicherweise als eine Pufferschicht verwendet wird, um die höchste Oberflächenpassivierung sicherzustellen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung suchen das/die obige/n Problem/e durch Verwenden vorstehender Heteroübergangskontakte (z. B. punktartiger, streifen- oder linienartiger oder gitterartiger Kontakte) anstelle eines herkömmlichen planaren oder flächigen Heteroübergangskontakts 242, wie beispielsweise in 2C dargestellt ist, angehen. Dies ermöglicht vorzugsweise, dass die Homoübergangs- und Heteroübergangskontakte in einer industriell machbaren Weise derartig gebildet werden können, dass entweder (1) eine Prozesskompatibilität zwischen den Hochtemperaturanforderungen, die für herkömmliches Kontaktbrennen benötigt werden, und den Niedertemperaturanforderungen, die für die Heteroübergangskontaktbildung benötigt werden (d. h. eine kurze Hochtemperaturbehandlung kann toleriert werden), oder (2) eine Prozesskompatibilität zwischen dem Vorderkontaktmetallisierungsschritt und dem Heteroübergangsschicht-Abscheidungsschritt über beispielsweise PECVD (d. h. Metall-Kreuzkontamination kann toleriert werden) sichergestellt werden.
  • Die Verwendung vorstehender Heteroübergangskontakte anstelle von flächigen Kontakten reduziert die Kontaktfläche der Heteroübergangsschicht mit der Oberfläche des Wafers (d. h. Absorbers) erheblich. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Kontaktflächenprozentsatz etwa 3% bis 20%. Noch bevorzugter beträgt der Kontaktflächenprozentsatz etwa 4% bis 6%, wenn mikrokristallines Siliziums, μc-Si:H, als die als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergangsschicht verwendet wird, oder etwa 10% bis 15%, wenn amorphes Silizium, a-Si:H, verwendet wird. So ist es gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen möglich, eine etwas schlechtere Oberflächenpassivierungsqualität des Wafers zu akzeptieren, da der Großteil der Waferrückoberfläche durch eine isolierende Passivierungsschicht mit einer hohen positiven oder negativen Oberflächenladung (z. B. SiNx oder AlOx) passiviert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel werden beispielsweise nur etwa 3% bis 20% der Waferrückoberfläche durch die vorstehenden Heteroübergangskontakte passiviert, die zur Ladungsträgerextraktion benötigt werden.
  • Der oben erwähnte Prozess, der eine kurze Hochtemperaturbehandlung tolerieren kann, wird nun gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Bei diesem Prozess wird der Hochtemperatur-Kontaktbrennschritt, der für die diffundierte Homoübergangskontaktbildung benötigt wird, nach der Abscheidung der Dünnfilm-Heteroübergangsschichten durchgeführt (was so eine Metall-Kreuzkontamination während der Abscheidung der Heteroübergangsschichten über beispielsweise PECVD vermeidet, da Metallabscheidung und Kontaktbrennen nach der Heteroübergangsschichtabscheidung angewendet werden). Die Hochtemperaturbehandlung während des Kontaktbrennprozesses verschlechtert die Oberflächenpassivierungsqualität des Wafers nur an den Abschnitten, die grenzflächig mit der Heteroübergangsschicht verbunden sind (d. h. mit der Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die dem Wafer zugewandt ist), jedoch nicht außerhalb dieser Abschnitte. Dies ist so, da die isolierenden Passivierungsschichten (z. B. SiNx oder AlOx) ausgebildet sind, um einem Hochtemperatur-Kontaktbrennen standzuhalten. Deshalb führt dies zu einer tolerierbaren Verschlechterung der Oberflächenpassivierung des Wafers insgesamt, da dies auf die Abschnitte des Wafers beschränkt ist, die grenzflächig mit der Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte verbunden sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ermöglicht dies vorzugsweise, dass der Heteroübergangskontaktbildungsprozess (a) die Abscheidung der intrinsischen amorphen Silizium-Pufferschicht weglassen kann und/oder (b) eine mikrokristalline Siliziumschicht anstelle einer amorphen Siliziumschicht als dotierte Dünnfilmschicht abscheiden kann. Beide Prozesse (a) und (b) führen zu einer verbesserten Oberflächenrekombination (was in dem Fall flächiger Heteroübergangskontakte nicht akzeptiert werden kann, was jedoch in dem Fall vorstehender Heteroübergangskontakte akzeptiert werden kann). Nach einer kurzen Hochtemperaturbehandlung, die zum Kontaktbrennen benötigt wird, liegt die Oberflächenrekombination beider Prozesse (a) und (b) im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung. Der Prozess (a) jedoch benötigt weniger Prozessschritte und der Prozess (b) ermöglicht einen höheren Dotierungswirkungsgrad für die dotierte Dünnfilmschicht, was wiederum zu einem geringeren Serienwiderstand der Solarzelle führt.
  • Der andere oben erwähnte Prozess, der Metall-Kreuzkontamination tolerieren kann, wird nun gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Bei diesem Prozess wird die diffundierte Homoübergangskontaktbildung zuerst fertig gestellt (einschließlich Kontaktbrennen), sodass die Heteroübergangsschichten keinen schädlichen Hochtemperaturbehandlungen ausgesetzt sind. Stattdessen sind die Heteroübergangsschichten während des PECVD-Abscheidungsprozesses einer Metall-Kreuzkontamination ausgesetzt, da die fertigen metallisierten Homoübergangskontakte auch in den PECVD-Abscheidungsprozess gelangen müssen. Durch Bilden der vorstehenden Heteroübergangskontakte jedoch kann diese Metall-Kreuzkontamination (die auch zu einer Verschlechterung der Oberflächenpassivierung führt) aus den gleichen Gründen, wie oben beschrieben wurde, toleriert werden. Dies bedeutet, dass die isolierenden Passivierungsschichten (z. B. SiNx oder AlOx) große Abschnitte des Wafers vor Metall-Kreuzkontamination schützen können und nur die Abschnitte des Wafers, die grenzflächig mit der Heteroübergangsschicht verbunden sind (d. h. die Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die dem Wafer zugewandt ist), anfällig für die Metall-Kreuzkontamination sind.
  • Zu Darstellungszwecken und zur Klarheit wird nun eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle 300 unter Bezugnahme auf 3A gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die Hybrid-Solarzelle 300 einen Silizium-Wafer oder ein Substrat 302 (d. h. Absorberschicht zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine Vorderseite 304 der Absorberschicht einfällt), einen Homoübergangskontakt 306, der auf einer ersten Seite (z. B. Vorderseite) 304 des Wafers 302 gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität (z. B. Elektronen oder Löcher) und einen Heteroübergangskontakt 308, der auf einer zweiten Seite (z. B. Rückseite) 310 des Wafers 302 gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität (z. B. Löcher oder Elektronen) auf. Die Hybrid-Solarzelle 300 weist außerdem eine Passivierungsschicht 312, die an der Rückseite 310 des Wafers 302 gebildet ist, mit einer oder mehreren Kontaktöffnungen 314 auf. Die Passivierungsschicht 312 weist eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der Rückseite 310 des Wafers 302 in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion auf. Der Heteroübergangskontakt 308 weist eine dotierte Heteroübergangsschicht 315 auf, die über der Passivierungsschicht 312 abgeschieden ist, die auch die Kontaktöffnungen 314 füllt. Deshalb beinhaltet die dotierte Heteroübergangsschicht 315 einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte 316, die in der jeweiligen einen oder den jeweiligen mehreren Kontaktöffnungen 314 gebildet sind.
  • Der Wafer 302 kann kristallines n-Typ- oder p-Typ-Silizium (c-Si) sein. Wenn ein n-Typ-c-Si-Wafer 302 verwendet wird, befindet sich der Emitter der Solarzelle vorzugsweise an der Rückseite 310 (Rückseiten-Minoritätsträgersammlung), damit Phosphordiffusion zum Bilden des diffundierten Kontakts verwendet werden kann. Wenn ein p-Typ-c-Si-Wafer 302 verwendet wird, befindet sich der Emitter der Solarzelle vorzugsweise an der Vorderseite 304 (Vorderseiten-Minoritätsträgersammlung), damit Phosphordiffusion zum Bilden des diffundierten Kontakts verwendet werden kann. Der Homoübergangskontakt 306 ist vorzugsweise ein flächiger diffundierter Phosphor-Homoübergang, wie in 3A gezeigt ist (was den problematischen Bordiffusionsprozess vermeidet), oder ein lokal zwischendiffundierter Aluminium-Homoübergang, wie in 3B und 3C gezeigt ist (was jeglichen zusätzlichen Diffusionsprozess vermeidet, da der Kontaktbrennprozess bereits die lokal diffundierten Regionen bereitstellt). Die Passivierungsschicht 312 ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht zur Oberflächenpassivierung, die entweder eine große Menge einer positiven oder negativen Oberflächenladung aufweist, was die Rückoberfläche des Wafers 302 in eine starke Inversion oder in eine starke Akkumulation treibt. Außerdem gibt es eine weitere Passivierungsschicht 317, die auf dem Homoübergangskontakt 306 abgeschieden ist. Die Rück-Passivierungsschicht 312 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid (SiNx) hergestellt sein und die Vorder-Passivierungsschicht 318 kann aus Aluminiumoxid (AlOx) hergestellt sein, oder umgekehrt, abhängig davon, ob die Vorder/Rück-Oberfläche des Wafers 302 in eine starke Inversion oder in eine starke Akkumulation getrieben werden möchte.
  • Die Heteroübergangsschicht 315 weist eine oder mehrere Dünnfilmschichten auf, die hergestellt sind aus dotiertem hydrierten amorphen Silizium (a-Si:H), dotiertem hydrierten mikrokristallinen Silizium (μc-Si:H), einem Stapel aus intrinsischem a-Si:H/dotiertem a-Si-H, einem Stapel aus intrinsischem hydrierten amorphen Siliziumoxid (a-SiOx:H)/dotiertem a-Si:H, oder einem Stapel aus intrinsischem a-SiOx:H/dotiertem μc-Si:H. Das dotierte a-Si:H oder μc-Si:H besitzt eine entgegengesetzte Polarität zu der Oberflächenladung der Rück-Passivierungsschicht 312, um die Extraktion von Elektronen/Löchern zu unterstützen. Wenn beispielsweise die Rück-Passivierungsschicht 312 eine positive Oberflächenladung aufweist, ist das a-Si:H oder μc-Si:H n-dotiert (Extraktion von Elektronen).
  • Wie in 3A gezeigt ist, ist der Hauptteil der Rückoberfläche des Wafers 302 durch die Rück-Passivierungsschicht 312 passiviert, die beispielsweise lokal in einer punkt/linien/gitterartigen Weise geöffnet ist. Dies ermöglicht es, dass die Heteroübergangsschicht 315 vorstehende Heteroübergangskontakte 316 innerhalb der Kontaktöffnungen 314 der Rück-Passivierungsschicht 312 bilden kann. So sind nur kleine/unwesentliche Abschnitte der Heteroübergangsschicht 315 (d. h. Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316, die dem Wafer 302 zugewandt ist) in Kontakt mit dem Wafer 302 und den oben erwähnten unerwünschten Prozessbedingungen ausgesetzt. Wie zuvor bereits erwähnt wurde, bilden beispielsweise nur etwa 3% bis 20% der Oberflächenfläche der Heteroübergangsschicht 315, die dem Wafer 302 zugewandt ist, den Heteroübergangskontakt (d. h. 3% bis 30% der Wafer-Rückoberfläche sind durch die vorstehenden Heteroübergangskontakte passiviert, die zur Ladungsträgerextraktion benötigt werden) und die verbleibenden Oberflächenfläche befindet sich unter der Rück-Passivierungsschicht 312 und wird durch diese geschützt. Entsprechend ist die etwas schlechtere Oberflächenpassivierungsqualität der Absorberschicht 302 nach einer Hochtemperaturbehandlung oder nach einer Abscheidung, die einer Metall-Kreuzkontamination unterworfen ist, verglichen mit einem flächigen Heteroübergangskontakt tolerierbar.
  • Mit der Hybrid-Solarzelle 300, die in 3A gezeigt ist, ist der diffundierte Homoübergangskontakt 306 auf der Vorderseite 304 des Wafers 302 positioniert, was vorzugsweise einen höheren Kurzschlussstrom (Isc) erlaubt, da keine Vorderseiten-TCO-Absorption vorliegt. Gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das hohe Kurzschluss-Strompotential des diffundierten Vorderseiten-Homoübergangskontakts 306 ferner mit dem hohen Leerlauf-Spannungspotential des Rückseiten-Heteroübergangskontakts 308 kombiniert, was eine Hybrid-Solarzelle 300 mit beiden Vorteilen von sowohl hohem Kurzschlusspotential Isc als auch hohem Leerlaufpotential Voc realisiert. Ferner vermeidet das exemplarische Ausführungsbeispiel die problematische Bordiffusion durch Verwenden von Phosphordiffusion für den Vorderseitenkontakt, d. h. der diffundierte Vorderseitenkontakt ist ein n-Typ-(Elektronenextraktions-)Kontakt.
  • 3B stellt ein schematisches Diagramm einer Hybrid-Solarzelle 320 dar, die die gleiche Struktur aufweist wie die Hybrid-Solarzelle 300, die in 3A gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass der diffundierte Homoübergangskontakt 322 lokal diffundiert ist, und nicht flächig diffundiert. Ferner vermeidet dieses exemplarische Ausführungsbeispiel einen expliziten Diffusionsprozessschritt, da die lokale Aluminium-Zwischendiffusion während des Kontaktbrennens zur Bildung der lokalen diffundierten Regionen 322 innerhalb des Wafers 302 verwendet wird. Dies bedeutet, dass der diffundierte Vorderseitenkontakt ein p-Typ-(Lochextraktions-)Kontakt ist. In 3B sind Teile/Komponenten, die die gleichen wie diejenigen in der Hybrid-Solarzelle 300 aus 3A sind, durch die gleichen Bezugszeichen angezeigt und können den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion aufweisen, es sei denn, dies ist anderweitig angegeben.
  • 3C stellt ein schematisches Diagramm einer Hybrid-Solarzelle 340 dar, die die gleiche Struktur aufweist wie die Hybrid-Solarzelle 320, die in 3B gezeigt ist, mit der Ausnahme der Rückseiten-Metallisierung. In 3C ist die Rückseiten-Metallisierung in der Form eines Metallgitters 342 anstatt eines flächigen Metallkontakts 319 umgesetzt, wie in 3B gezeigt ist. In 3C sind Teile/Komponenten, die die gleichen sind wie diejenigen in der Hybrid-Solarzelle 320 aus 3B, durch die gleichen Bezugszeichen angezeigt und können den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion aufweisen, es sei denn, dies ist anderweitig angegeben.
  • Ein Verfahren 400 zum Herstellen einer Hybrid-Solarzelle 300, 320, 340 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Das Verfahren 400 weist einen Schritt 402 eines Bereitstellens einer Absorberschicht 302 zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine erste Seite (z. B. Vorderseite) 304 der Absorberschicht 302 einfällt, einen Schritt 404 eines Bildens eines Homoübergangskontakts 306 auf der ersten Seite der Absorberschicht 302 zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität, einen Schritt 406 eines Bildens einer Passivierungsschicht auf einer zweiten Seite (z. B. Rückseite) der Absorberschicht, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt und die Passivierungsschicht eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der zweiten Seite der Absorberschicht in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion aufweist, und einen Schritt 408 eines Bildens eines dotierten Heteroübergangskontakts 308 auf der zweiten Seite der Absorberschicht 302 über der Passivierungsschicht 312 zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht aufweist, auf. Gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Schritt 408 des Bildens des dotierten Heteroübergangskontakts 308 ein Bilden einer oder mehrerer Kontaktöffnungen 314 in der Passivierungsschicht 312 und ein Abscheiden einer dotierten Heteroübergangsschicht 315 über der Passivierungsschicht 312 auf, wobei die Heteroübergangsschicht 315 einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte 316 beinhaltet, die innerhalb der einen oder mehreren jeweiligen Kontaktöffnungen 314 gebildet sind.
  • Zu Darstellungszwecken und zur Klarheit wird nun das Verfahren 400 zum Herstellen einer Hybrid-Solarzelle 300 unter Bezugnahme auf die 5A bis 5H und 6A bis 6D gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, dass das Verfahren 400 nicht auf die Schritte eingeschränkt ist, die im Folgenden beschrieben sind, und ferner die Schritte in einer unterschiedlichen Reihenfolge als derjenigen durchgeführt werden können, die beschrieben ist, es sei denn, dies ist spezifisch anderweitig angegeben. In den 5A bis 5H und den 6A bis 6D sind Teile/Komponenten, die die gleichen sind wie diejenigen in der Hybrid-Solarzelle 300 aus 3A, durch die gleichen Bezugszeichen angezeigt und können den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion aufweisen, es sei denn, dies it anderweitig angegeben.
  • Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird zuerst ein kristalliner n-Typ-Silizium-Wafer (c-Si) 302 bereitgestellt, wie in 5A gezeigt ist. Danach wird ein flächiger diffundierter Homoübergang 306 auf dem Wafer 302 durch Phosphordiffusion gebildet, wie in 5B gezeigt ist. 5C stellt eine Vorder-Passivierungsschicht 317 dar, die unter Verwendung eines Prozesses einer plasmagestützten chemischen Aufdampfung (PECVD) auf den diffundierten Homoübergang 306 abgeschieden wird. 5D stellt eine Rück-Passivierungsschicht 312 dar, die auf die Rückseite 310 des Wafers 302 abgeschieden wird. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Vorder-Passivierungsschicht 317 SiNx zum Treiben der Vorderoberfläche des Wafers 302 in eine Akkumulation (unterstützt die Extraktion von Elektronen) und die Rück-Passivierungsschicht 312 ist AlOx zum Treiben der Rückoberfläche des Wafers 302 in eine Inversion (unterstützt die Extraktion von Löchern). Es ist zu erkennen, dass für die Rück-Passivierungsschicht 312 ein Stapel aus AlOx/SiNx verwendet werden und diese dennoch als eine AlOx-Passivierungsschicht bezeichnet werden kann.
  • Danach fährt das Verfahren 400 abhängig davon fort, ob der oben erwähnte Prozess, der eine kurze Hochtemperaturbehandlung tolerieren kann, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder der andere oben erwähnte Prozess, der eine Metall-Kreuzkontamination tolerieren kann, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgewählt oder angenommen wird.
  • Die 5E bis 5H stellen den Fall dar, in dem der Prozess gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel genommen wird. In 5E wird eine Vorderseiten-Metallisierung durchgeführt, um einen Metallkontakt 318 auf der Vorderseite 304 des Wafers 302 unter Verwendung von Siebdrucken, gefolgt durch ein Hochtemperatur-Kontaktbrennen (etwa 800°C oder mehr für weniger als eine Minute), zu bilden. Danach werden, wie in 5F gezeigt ist, Kontaktlöcher 314 in der Rück-Passivierungsschicht 312 gebildet, beispielsweise durch Laser-Öffnen. Danach wird zur Bildung der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316 eine p-dotierte Heteroübergangsschicht 315 über PECVD über der gesamten Fläche der Rück-Passivierungsschicht 312, wie in 5H gezeigt ist, für die Extraktion von Löchern abgeschieden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die p-dotierte Heteroübergangsschicht 315 eine Dünnfilmschicht in der Form eines Stapels aus intrinsischem a-Si:H/p-dotiertem a-Si:H oder intrinsischem a-SiOx:H/p-dotiertem a-Si:H oder intrinsischem a-SiOx:H/p-dotiertem μc-Si:H sein, oder nur eine einzelne Schicht aus p-dotiertem a-Si:H oder p-dotiertem μc-Si:H. Wie in 5H gezeigt ist, wird eine Rückseiten-Metallisierung durchgeführt, um einen Metallkontakt 319 auf der Rückseite 310 des Wafers 302 unter Verwendung von Siebdrucken, gefolgt durch ein Niedertemperatur-Kontaktbrennen (etwa 350°C oder weniger), zu bilden. Der Rück-Metallkontakt 319 kann beispielsweise ein Metall oder ein Stapel aus TCO/Metall sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Vorderseiten-Metallisierung vor der Abscheidung der Heteroübergangsschicht 315 durchgeführt. Deshalb akzeptiert, da die gebildeten Vorderseiten-Metallkontakte innerhalb des PECVD-Reaktors platziert werden müssen, dieses Ausführungsbeispiel eine Metall-Kreuzkontamination auf der Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316 während einer Dünnfilm-Silizium-PECVD-Abscheidung. Dies kann toleriert werden, da die erwartete Verschlechterung der Oberflächenpassivierung auf lediglich die Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316 eingeschränkt ist, die dem Wafer 302 zugewandt ist, was eine wesentlich kleinere Fläche ist als ein flächiger Heteroübergangskontakt, wie beispielsweise in 2C dargestellt ist.
  • Die 6A bis 6D stellen den Fall dar, in dem der Prozess gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel genommen wird. In 6A werden Kontaktlöcher 314 auf der Rück-Passivierungsschicht 312 gebildet, beispielsweise durch Laser-Öffnen. Danach wird zur Bildung der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316 eine p-dotierte Heteroübergangsschicht 315 über der gesamten Fläche der Rück-Passivierungsschicht 408 abgeschieden, wie in 6B gezeigt ist. Danach wird, wie in 6C gezeigt ist, eine Vorderseiten-Metallisierung unter Verwendung von Siebdrucken, gefolgt durch ein nachfolgendes Hochtemperatur-Kontaktbrennen (etwa 800°C oder mehr), durchgeführt, um die Metallkontakte 318 auf der Vorderseite 304 des Wafers 302 zu bilden. Dies bedeutet, dass die Vorderseiten-Metallisierung nach der Abscheidung der Heteroübergangsschicht 315 über PECVD durchgeführt wird. In 5D wird eine Rückseiten-Metallisierung unter Verwendung von Siebdrucken, gefolgt durch ein nachfolgendes Niedertemperatur-Kontaktbrennen (etwa 350°C oder weniger), durchgeführt, um die Metallkontakte 319 zu bilden. Der Der Rück-Metallkontakt 319 kann beispielsweise ein Metall oder ein Stapel aus TCO/Metall sein. Deshalb vermeidet dieses Ausführungsbeispiel eine Metall-Kreuzkontamination durch Abscheiden der Heteroübergangsschicht 315 vor der Vorder-Kontaktmetallisierung. Die erwartete Verschlechterung der Oberflächenpassivierung der Heteroübergangsschicht 315 aufgrund der Hochtemperaturbehandlung während des Kontaktbrennens kann toleriert werden, da sie auf lediglich die Oberfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte 316 beschränkt ist, die dem Wafer 302 zugewandt ist, die eine wesentlich kleinere Fläche aufweist als ein flächiger Heteroübergangskontakt.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel können sowohl der Vorder- als auch der Rückseiten-Metallkontakt 318, 319 in einem Hochtemperatur-Prozessschritt (gemeinsames Brennen bei etwa 800°C oder mehr) gebildet werden, wodurch ein starker Rückgang der Heteroübergangspassivierungsqualität innerhalb der Regionen der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die dem Wafer 302 zugewandt sind, aufgrund der Hochtemperaturbehandlung toleriert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Prozess immer noch besser ist als herkömmliche Homoübergangskontaktbildungen, wie sie in den 2A und 2B gezeigt sind, da weniger rekombinationsaktive Regionen unterhalb der Kontakte vorliegen und die Kontaktrekombination effektiver unterdrückt wird, wenn Heteroübergangsschichten verwendet werden.
  • Entsprechend stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine industriell machbare hocheffiziente Hybrid-Solarzelle mit einem Homoübergangskontakt auf einer Seite (z. B. Vorderseite) und einem Heteroübergangskontakt auf einer gegenüberliegenden Seite (z. B. Rückseite) der Hybrid-Solarzelle bereit. Insbesondere können die Hybrid-Solarzellen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Vorteile diffundierter Homoübergang-Solarzellen (hohes Kurzschlussstrompotential) mit den Vorteilen von als Dünnfilm abgeschiedenen Heteroübergang-Solarzellen (hohes Leerlaufspannungspotential) kombinieren, während gleichzeitig herkömmliches (Hochtemperatur-)Siebdrucken für die Vorderkontaktbildung ermöglicht wird. Dies bedeutet, dass entweder eine Prozesskompatibilität zwischen der herkömmlichen Hochtemperatur-Anforderung zur Homoübergangskontaktbildung (Kontaktbrennen) und der Niedertemperatur-Anforderung für die herkömmliche Heteroübergangskontaktbildung sichergestellt werden kann oder eine Prozesskompatibilität zwischen einer fertigen Vorder-Kontaktmetallisierung und einer Dünnfilm-PECVD-Heteroübergangsabscheidung (erforderlich zur Vermeidung von Metall-Kreuzkontamination) sichergestellt werden kann. Zusätzlich nutzen bevorzugte Ausführungsbeispiele den robusten Phosphordiffusionsschritt zum Bilden des diffundierten Homoübergangs, der den problematischen Bordiffusionsschritt, der bei der herkömmlichen Homoübergangskontaktbildung verwendet wird, vermeidet. Dies erhöht vorzugsweise die Volumenlebensdauer des Wafers („Gettern”). Außerdem benötigen bevorzugte Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise eine kostspielige TCO-Schicht, die üblicherweise bei der Bildung eines flächigen Heteroübergangskontakts benötigt wird. Dies ist so, da die Rück-Passivierungsschicht als ein wirksamer Rückreflektor dienen kann, sodass eine Metallschicht direkt auf die als Dünnfilm abgeschiedenen Heteroübergangsschichten aufgebracht werden kann. Dies ist nicht der Fall, wenn stattdessen flächige Heteroübergangs-Rückkontakte verwendet werden, da ein Silizium/Metall-Kontakt ein schlechter optischer Rückreflektor ist.
  • Im Gegensatz zu der Verwendung herkömmlicher flächiger Heteroübergangskontakte ist es nicht nötig, eine perfekte Grenzflächenpassivierung mit den vorstehenden Heteroübergangskontakten 316 sicherzustellen, da der Prozentsatz der Kontaktfläche (zwischen den vorstehenden Heteroübergangskontakten und der Waferoberfläche) zu der Gesamtfläche, die die Oberfläche des Wafers passiviert, nur etwa 3% bis 20% beträgt, wie z. B. 4% bis 6%, wenn mikrokristallines Silizium, μc-Si:H, als die als Dünnfilm abgeschiedene Heteroübergangsschicht verwendet wird, oder etwa 10% bis 15%, wenn amorphes Silizium, a-Si:H, verwendet wird. Wie oben bereits erläutert wurde, kann diese etwas höhere Grenzflächenrekombination innerhalb dieser Regionen toleriert werden, um die oben erwähnte Prozesskompatibilität sicherzustellen. Deshalb ist es auch möglich, die dotierte Heteroübergangsschicht durch Verwenden von mikrokristallinem Silizium, μc-Si:H, anstelle von amorphem Silizium, a-Si:H, umzusetzen, was eine schlechtere Passivierungsqualität akzeptiert, stattdessen jedoch einen höheren Dotierwirkungsgrad ermöglicht, um einen niedrigeren Serienwiderstand der Solarzelle zu realisieren (aufgrund seiner schlechteren Passivierungsqualität kann μc-Si:H nicht verwendet werden, wenn flächige Heteroübergangskontakte verwendet werden). Es ist auch möglich, die Abscheidung einer intrinsischen amorphen Dünnfilm-Pufferschicht vor der Abscheidung der dotierten Schicht wegzulassen, um Prozessschritte zu minimieren (was ebenso nicht erzielt werden kann, wenn flächige Heteroübergangskontakte verwendet werden).
  • Die Hybrid-Solarzelle, wie sie oben gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, erlaubt vorzugsweise, dass ein Großteil der momentan verwendeten Produktionsausrüstung für eine standardmäßige Solarzellenproduktion beibehalten werden kann, d. h. herkömmliche Phosphordiffusion und herkömmliches Kontaktbrennen durch eine Isolationsschicht (SiNx oder AlOx) können dennoch angewendet werden. Dies ermöglicht die Herstellung der Hybrid-Solarzelle in einer industriell machbaren Weise. Im Gegensatz dazu würde eine reine Heteroübergang-Solarzelle (d. h. Vorder- und Rück-Heteroübergangskontakte) im Wesentlichen eine neue Pilotlinie, einschließlich Niedertemperatur-Metallisierung, erfordern. In diesem Fall müssten Photovoltaik-Hersteller einen Großteil ihrer existierenden Ausrüstung ersetzen.
  • Es wurde prinzipiell umgesetzt, dass die vorstehenden Heteroübergangskontakte verglichen mit dem herkömmlichen flächigen Heteroübergangskontakt ein noch höheres Leerlaufpotential (Voc) ermöglichen. Dies ist so, da die stark rekombinierende/n aktive/n Dünnfilm-Übergangsschicht/en von dem Wafer entkoppelt sind, außer an den vorstehenden Heteroübergangskontakten.
  • Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet zu erkennen, dass zahlreiche Abänderungen und/oder Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung, wie in den spezifischen Ausführungsbeispielen gezeigt, durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie breit beschrieben, abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sollen deshalb in allen Belangen als veranschaulichend und nicht einschränkend betrachtet werden.

Claims (9)

  1. Eine Hybrid-Homoübergang/Heteroübergang-Solarzelle, die folgende Merkmale aufweist: eine Absorberschicht zum Erzeugen von Überschussladungsträgern mit entgegengesetzter Polarität aus Licht, das auf eine erste Seite der Absorberschicht einfällt; einen Homoübergangskontakt, der auf der ersten Seite der Absorberschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer ersten Polarität; eine Passivierungsschicht, die auf einer zweiten Seite der Absorberschicht gebildet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt und die Passivierungsschicht eine Oberflächenladung mit positiver oder negativer Polarität zum Treiben der zweiten Seite der Absorberschicht in eine Ladungsträgerakkumulation oder in eine Ladungsträgerinversion aufweist; und einen dotierten Heteroübergangskontakt, der auf der zweiten Seite der Absorberschicht über der Passivierungsschicht gebildet ist, zum Extrahieren eines erzeugten Überschussladungsträgers mit einer zweiten Polarität, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine entgegengesetzte Polarität zu der Polarität der Oberflächenladung der Passivierungsschicht aufweist, wobei die Passivierungsschicht eine oder mehrere Kontaktöffnungen aufweist und der dotierte Heteroübergangskontakt eine dotierte Heteroübergangsschicht aufweist, die über der Passivierungsschicht abgeschieden ist, wobei die dotierte Heteroübergangsschicht einen oder mehrere vorstehende Heteroübergangskontakte beinhaltet, die in der einen oder mehreren jeweiligen Kontaktöffnungen gebildet sind, wobei die vorstehenden Heteroübergangskontakte punktartig, streifenartig oder gitterartig geformt sind und ein Prozentsatz der Oberflächenfläche der vorstehenden Heteroübergangskontakte, die eine Oberfläche der Absorberschicht passiviert, zu der Gesamtoberflächenfläche, die die Oberfläche der Absorberschicht passiviert, etwa 3% bis 20% beträgt.
  2. Die Hybrid-Solarzelle gemäß Anspruch 1, bei der der Homoübergangskontakt eine diffundierte Region, die durch Diffundieren eines Dotiermittels in die erste Seite der Absorberschicht gebildet ist, und einen ersten Kontakt aufweist, der auf der diffundierten Region über Siebdrucken und nachfolgendes Kontaktbrennen gebildet ist.
  3. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Dotiermittel, das in die erste Seite der Absorberschicht diffundiert, Phosphor ist.
  4. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Kontakt aus einem Metall oder einem Stapel aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO)/Metall hergestellt ist.
  5. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes mikrokristallines Silizium (μc-Si:H) aufweist und der Prozentsatz zwischen etwa 4% und 6% liegt oder die dotierte Heteroübergangsschicht hydriertes amorphes Silizium (a-Si:H) aufweist und der Prozentsatz zwischen etwa 10% und 15% liegt.
  6. Die Hybrid-Solarzelle gemäß Anspruch 5, bei der die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiNx) für die positive Oberflächenladung oder Aluminiumoxid (AlOx) für die negative Oberflächenladung hergestellt ist.
  7. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Absorberschicht aus kristallinem n-Typ- oder p-Typ-Silizium hergestellt ist.
  8. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Heteroübergangsschicht eine oder mehrere Dünnfilmschichten aufweist, die hergestellt sind aus dotiertem hydrierten amorphen Silizium (a-Si:H), dotiertem hydrierten mikrokristallinen Silizium (μc-Si:H), einem Stapel aus intrinsischem a-Si:H/dotiertem a-Si-H, einem Stapel aus intrinsischem hydrierten amorphen Siliziumoxid (a-SiOx:H)/dotiertem a-Si:H, oder einem Stapel aus intrinsischem a-SiOx:H/dotiertem μc-Si:H.
  9. Die Hybrid-Solarzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Seite der Absorberschicht eine Vorderseite ist und die zweite Seite der Absorberschicht eine Rückseite ist.
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