DE2846097A1 - Solarzelle mit verbessertem wirkungsgrad aus einer halbleiteranordnung - Google Patents
Solarzelle mit verbessertem wirkungsgrad aus einer halbleiteranordnungInfo
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Description
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- Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad aus einer
- Halbleiteranordnung.
- Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad aus einer Halbleiteranordnung, bei der die aktiven Gebiete, in welchen Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Energie erzeugt werden, im Bereich mindestens einer parallel zur Oberfläche angeordneten elektrisch isolierenden Schicht liegen und bei der der durch die Ladungsträger erzeugte Strom durch ein auf der Oberfläche der Solarzelle befindliches Metallfingersystem abgeleitet wird.
- Bei der herkdmmlichen Solarzelle mit pn-Ubergang wird z. B. in ein p-dotiertes Halbleitersubstrat eine n+-Diffusion eingebracht, so daß ein pn-Übergang parallel zur Oberfläche in Tiefen von etwa 0,1 bis 0,5 /um verläuft. Im elektrischen Feld dieses pn-Uberganges werden die Ladungsträger getrennt und die Jeweiligen Minoritätsladungsträger diffundieren zu den in gewissen Abständen sich befindlichen Metallfingern. Die Majoritätsladungsträger diffundieren zur Solarzellenrückseite, wo sich ein ohmscher Kontakt befindet.
- Bei der sogenannten MIS-Solarzelle ist die gesamte Oberfläche von einer dünnen, lichtdurchlässigen Metallschicht überzogen, auf der wiederum ein Metallfingersystem angebracht ist. Die durch das Licht erzeugten Ladungsträger werden im elektrischen Feld des Schottky-Kontaktes oder MIS-Eontaktes getrennt, die Minoritätsladungsträger diffundieren wiederum zu den Metallfingern an der Oberfläche. Eine MIS-Solarzelle ist aus dem Aufsatz von R. J. Stirn und Y. C. M. Peh "Applied Phys-Letters", Vol. 27, Nr. ?, 1975, Seiten 95 bis 98, bekannt.
- Aus dem "Solid St. Electron. Vol. 20 (1977), Seiten 95 bis 104, ist aus einem Aufsatz von G. C. Salter und R. E. Thomas eine Inversionsschicht-Solarzelle zu entnehmen, bei der sich auf dem Halbleiterkörper eine lichtdurchlässige Isolatorschicht größerer Dicke (d> 0,05 /um) befindet. An der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche befinden sich Ladungen, die im Halbleiterkörper die Bildung einer Raumladungszone und Inversionsschicht bewirken. Im Feld dieser Raumladungszonen werden die vom Licht erzeugten Ladungsträger getrennt, die Minoritätsladungsträger gelangen über die Inversionsschicht zu den Elektroden an der Oberfläche. Diese wieder als Fingersystem angeordneten Elektroden können durch Diffusion und darüber liegendes Metall, durch einen Metall-Halbleiterkontakt oder durch einen MIS-Eontakt an der Oberfläche gebildet werden.
- All diesen Konzepten ist gemeinsam, daß nur der Teil der durch das Licht erzeugten Ladungsträger gesammelt wird, der entweder in der Raumladungszone erzeugt wird oder durch Diffusion bis zum Rand der Raumladungszone an die Oberfläche gelangen kann. Da aber die im Halbleiterkörper generierten Ladungsträger gleichmäßig nach allen Richtungen diffundieren und die Eindringtiefe des Lichtes weit über die Raumladungszone hinausreicht (langwelliger Teil des Sonnenspektrums bis zu 100 /um), geht ein großer Teil der Ladungsträger durch Rekombination verloren. In der Hauptsache sind es die parallel zur Oberfläche und in den rückwärtigen Halbleiterraum diffundierenden Ladungsträger, die nicht erfaßt werden.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Solarzellenanordnung zu schaffen, bei der die Diffusionswege der Ladungsträger zu den Kontakten verkürzt, ganz generell die Zahl der gesammelten Ladungsträger und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht werden kann.
- Außerdem soll im Falle der Inversionsschicht-Solarzelle mit MIS-Eontakten der Inversionskanal direkt an das Metall gekoppelt werden (keine hindernde Potentialbarriere dazwischen). Es sollen bei den MIS-Kontakten analoge Verhältnisse wie beim MOS-Transistor angestrebt werden, wo der Inversionskanal direkt an die hochdiffundierten Gebiete von Source und Drain angekoppelt ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Solarzelle der eingangs genannten Art gelöst, welche erfindungsgemäß durch ein in den Halbleiterkörper hinein versenktes Metallfingersystei gekennzeichnet ist. Dabei liegt es im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß die versenkten Metallkontakte entteder als Schottkp-Kontakte ausgebildet sind, oder MiS-Struktur aufweisen.
- In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Isolatorschicht der Anordnung aus einer aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid oder aus Silizium oxid und Siliziumoxinitrid gebildet ist. Der Halbleiterkörper kann aus einkristallinem, polykristallinem oder amorphem Silizium, Germanium oder auch aus AIIIBV-Verbindungen bestehen.
- Die Bildung des Schottky bzw. MIS-Kontaktes wird dadurch erreicht, daß entsprechend der Anordnung des Fingersystems Vertiefungen in den Halbleiterkörper eingebracht werden und diese Vertiefungen mit einem entsprechenden Metall ausgefüllt werden.
- Durch diese Verlegung des elektrischen Feldes (collecting field) von der Oberfläche ins Halbleiterinnere werden wesentliche Vorteile gegenüber dem Oberflächenkontakt erreicht: 1. Direkte Ankopplung des Inversionskanals an das Elektrodenmetall für den Fall der Inversionsschicht-Solarzelle.
- 2. Vergrößerung der effektiv wirksamen Kollektorfläche, ohne die den Lichteinfall behindernde Metallfläche auf der Oberfläche zu vergrößern.
- 3. Durch Einstellen beliebiger Furchentiefen höhere Erfassungsquote der im Halbleitersubstrat erzeugten Ladungsträger. Insbesondere werden die horizontal und leicht nach hinten diffundierenden Ladungsträger abgefangen. Auch bei Kontakttiefen von nur etwa 5 /um werden wesentlich mehr Ladungsträger gesammelt (xaximum der Lichtabsorption bei ungefähr 1 /um). Mbn betrachte hierzu Jeweils Kugeln mit Radius Ln (Diffusionslänge) um den Entstehungsort eines Elektron-Lochpaares, Der Vorteil dieser Anordnung tritt besonders bei polykristallinem und amorphem Halbleitermaterial in Erscheinung, wegen der dort sehr geringen Diffusionslänge.
- 4. Dadurch, daß die Vertiefungen mit Metall aufgefüllt werden, erhält man einen wesentlich geringeren Widerstand der Leiterbahnen bei gleicher Lichtabschattung.
- 5. Bei der Betrachtung des Flächenverhältnisses Halbleiteroberfläche zu Kontaktfläche im Halbleiter ist zu berücksichtigen, daß die zur Kontaktfläche gelangenden Ladungsträger effektiv zum Strom beitragen, während die an die Oberfläche gelangenden erst noch zu den Kontakten diffundieren müssen und dabei ein Gebiet höheren Widerstandes zu überwinden haben. Also ist die neugeschaffene Kollektorfläche wesentlich effektiver als die Raumladungszone plus Inversionszone an der Oberfläche.
- 6. Einfache Herstellung, da kein zusätzlicher Maskierungsschritt erforderlich ist. Kein Hochtemperaturschritt, keine zusätzlichen Kristalldefekte 7. Inversionsschicht- und MIS-Solarzellen mit derartiger Kontaktanordnung haben den Vorteil, sowohl für kurzwellige (Oberflächeninversionskanal), als auch für langwellige Strahlung (Volumenabsorption) empfindlich zu sein.
- Im folgenden sollen anhand der Figuren 1 und 2 zwei AusfUhrungsbeispiele beschrieben werden, bei denen sich das tiefer liegende Kontaktfingersystem besonders vorteilhaft auswirkt, die Herstellung sehr einfach ist und man ohne Hochtemperaturbehandlung auskommt. Insbesondere bereitet die Anwendung dieses Prinzips auf polykristallines und amorphes Halbleitermaterial keine zusätzlichen Schwierigkeiten, wie es bei der Erzeugung von pn-Übergängen durch Diffusion der Fall ist.
- In Figur 1 ist im Schnittbild eine Inversionsschicht-Solarzelle mit versenkten MiS-Kontakten dargestellt. Dabei ist ein p-dotierter Halbleiterkörper 1 aus Silizium mit einer dünnen Siliziumoxidschicht 2 (Isolator 1) und einer dickeren Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht 3 (Isolator 2) versehen, wobei insbesondere an der Grenzfläche Isolator 1/Isolator 2 eine möglichst hohe Dichte positiver Grenzflächenlaclungen vorliegen soll, um im Halbleiterkörper eine möglichst gut leitende Inversionsschicht zu erzeugen.
- Durch einen in der Figur nicht dargestellten Fotolackschritt wird die Kontaktfingerstruktur auf dem Isolator 1, 2 festgelegt und der Isolator entsprechend geätzt (Siliziumnitrid z. B. mit Flußsäure bei Raumtemperatur oder mit Phosphorsäure bei 1600C). Die anschließende Ätzung in den Halbleiterkörper 1 aus Silizium im Bereich der Kontaktfenster (4) kann beispielsweise alkalisch mit Kalilauge oder sauer mit einem Flußsäure-Salpetersäure-Gemisch erfolgen, wobei die Isolatorschichten 2 und 3 und die nicht in der Figur dargestellte Fotolackschicht als Ätzmaske dienen. Es können aber auch andere Ätzverfahren, wie z. B. das Plasmaätzen, angewandt werden. In allen Fällen ist die Unterätzung zu berücksichtigen.
- Die freigelegte Kontaktfläche 4 wird anschließend mit einer dünnen Oxidschicht 5 (dk 5 nm) oder mit einer, positive Ladungen enthaltenden dünnen Siliziumnitridschicht in Verbindung mit der sehr dünnen Oxidschicht 5 (Gesamtdicke < 5 nm) versehen, um den MIS-Kontakt effektiver zu machen.
- Zur Vermeidung einer Überlappung mit dem Isolator (selbstJustierend) und damit einer weiteren Lichtabschattung wird dann das Metall für das Kontaktfinger system 6 durch Elektrolyse abgeschieden. Dabei wird das Metall nur auf dem Halbleiterkörper (1, 4), nicht aber auf dem mit dem Isolator 3 bedeckten Gebieten abge schieden.
- Bei Verzicht auf die oben beschriebene Dünnfilmpräparation (5), zu deren Zweck der Fotolack entfernt werden müßte, kann das Metall nach der Ätzung der Kontaktvertiefungen ganzflächig auf die noch mit Fotolack bedeckte Solarzellenoberfläche (und damit auch in die offenen Kontakte (4)) aufgebracht werden. Anschließend wird der Fotolack mit dem restlichen Metall abgelöst.
- Somit ist für die Herstellung dieser Zelle nur ein Maskierschritt erforderlich, gegenüber der Zelle mit flachen MiS-Kontakten nur eine zusätzliche Halbleiterätzung als Fortsetzung der Isolatorätzung.
- Der mit dem Bezugszeichen 7 versehene Rückkontakt wird vor der Ätzung der Kontaktfenster (4) ganzflächig auf die Rückseite aufgebracht und im Falle von Aluminium einer Temperung bei 4000C unterzogen, Die gestrichelte Linie in der Figur 1 zeigt die Tiefe der Inversionsschicht, die strichpunktierte die der Raumladungszone an. Durch die Kreuzchen werden die positiven Isolatorladungen angezeigt.
- In Figur 2 ist im Schnittbild eine MIS-Solarzelle mit versenkten Kontakten dargestellt. Dabei wird die Oberfläche des Halbleiterkdrpers 11 zunächst mit einer dünnen Isolatorschicht 12 (d < 5nm) überzogen, wobei diese Isolatorschicht aus einem Oxid oder aus einer Oxid-Nitrid-Doppelschicht 12 td <: 5 nm) bestehen kann.
- Dann wird z. B. durch Aufdampfen der Rückseiten-Metallkontakt 13 aufgebracht und entsprechend getempert. Ein in der Figur nicht dargestellter Fotolack-Maskerungsschritt legt das Fingermuster (16) auf der Vorderseite der Anordnung fest. Durch chemisches Ätzen oder durch Plasmaätzen werden dann wie bei Figur 1 beschrieben in den Halbleiterkörper 11 die Vertiefungen eingeätzt. Die anschließende Metallabscheidung 16 kann entweder durch Aufdampfen erfolgen, oder durch elektrolytische Metallabscheidung. Vor der Metallabscheidung 16 kann noch durch Behandlung mit Salpetersäure bei niedrigen Temperaturen eine dünne Isolatorschicht 15 auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht werden, um den MIS-Kontakt zu verstärken.
- 13 Patentansprüche 2 Figuren
Claims (13)
- PatentansprUche. ~~ 5 w » Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad aus einer Halbleiteranordnung, bei der die aktiven Gebiete, in welchen Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Energie erzeugt werden, im Bereich mindestens einer parallel zur Oberfläche angeordneten elektrisch isolierenden Schicht liegen und bei der der durch die Ladungsträger erzeugte Strom durch ein auf der Oberfläche der Solarzelle befindliches Metallfingersystem abgeleitet wird, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h ein in den Halbleiterkörper hinein versenktes Metallfingersystem.
- 2. Solarzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die versenkten Metallkontakte als Schottky-Kontakte ausgebildet sind oder MIS-Struktur aufweisen.
- 3. Solarzelle nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Isolatorschicht aus einer, aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid bestehenden Doppelschicht gebildet ist.
- 4. Solarzelle nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterkörper aus einkristallinem, polykristallinem oder amorphem Silizium, Germanium oder AIIIBV-Verbindungen besteht.
- 5. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß in den Halbleiterkörper entsprechend der Geometrie des Metallfingersystems Vertiefungen eingebracht werden und mit einem entsprechenden Metall zur Erzielung eines Schottky- oder MiS-Kontaktes aufgefüllt werden.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Metallisierung durch Elektrolyse, Sputtern oder durch Aufdampfen des entsprechenden Metalles durchgeführt wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vor der Metallisierung die im Halbleiterkörper freigelegten Flächen mit einer Isolationsschicht kleiner 5 nm versehen werden.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Isolationsschicht aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid aufgebracht wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vertiefungen durch chemisches Ätzen, Plasmaätzen und/oder Ionenätzen eingebracht werden.
- 10. Verfahren zum Herstellen einer Inversionsschicht-Solarzelle mit versenkten MIS-Kontakt nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte: a) Aufwachsen einer Siliziumoxidschicht auf der Oberfläche eines p-dotierten Siliziumkörpers in einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 5 n2 b) Aufbringen einer Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht durch thermische Reaktion von Silan mit Ammoniak bzw. und Sauerstoff in einer Schichtdicke im Bereich von kleiner als 5 nm bzw. durch Reaktion von Silan und Ammoniak in einer Glimmentladung (Plasmanitrid) c) Abscheidung des Metalles auf der Rückseite und Temperung bei etwa 400°C.d) Durchführung einer Fotolacktechnik zur Festlegung der Kontaktfingerstruktur auf der Isolatoroberfläche, e) Ätzen der Kontaktlöcher in der Isolationsschicht, f) Ätzen der Kontaktvertiefungen im Silizium unter Verwendung von Isolationsschicht und Fotolackschicht als Ätzmaske, g) Verwenden des natürlichen Siliziumoxids oder Aufbringen einer dünnen Siliziumoxidschicht und/oder Siliziumnitridschicht in einer Schichtdicke - 5 nm auf die freigelegte Kontaktoberfläche und Entfernung des Fotolackes, h) Abscheidung des Kontaktmetalls in den Vertiefungen des Slliziumkörpers durch Elektrolyse (Figur 1).
- 11. Verfahren zur Herstellung einer Inversionsschicht-Solarzelle, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß in Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 10 anstelle der Verfahrensschritte g) und h) die Metallabscheidung ganzflächig auf der Solarzellenoberfläche durchgeführt wird und anschließend der Fotolack mit dem darLiberliegenden Metall abgelöst wird.
- 12. Verfahren zum Herstellen einer MiS-Solarzelle mit versenkten Kontakten nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte: a) Aufbringen einer dünnen Isolatorschicht in einer Schichtdicke < 5 nm auf dem Halbleiterkörper, b) Abscheidung des Rückseiten-Metallkontaktes und anschließendes Tempern, c) Durchführung einer Fotolacktechnik zur Festlegung der Kontaktfingerstruktur auf der Isolatoroberfläche, d) Ätzen der Kontaktvertiefungen in der Isolationsschicht und im Halbleiterkörper, e) ganzflächige Abscheidung einer Metallschicht, f) Ablösen des Fotolackes mit dem Metall zwischen den Kontaktfenstern, g) ganzflächige Abscheidung einer transparenten Metallschicht.
- 13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß vor der Metallisierung die im Halbleiterkörper freigelegten Flächen mit einer dünnen Isolatorschicht, vorzugsweise bestehend aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid oder aus Siliziumoxid und Siliziumoxinitrid in einer Schichtdicke L 5 nm überzogen werden (Figur 2).
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| DE19782846097 DE2846097A1 (de) | 1978-10-23 | 1978-10-23 | Solarzelle mit verbessertem wirkungsgrad aus einer halbleiteranordnung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE19782846097 DE2846097A1 (de) | 1978-10-23 | 1978-10-23 | Solarzelle mit verbessertem wirkungsgrad aus einer halbleiteranordnung |
Publications (1)
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ID=6052897
Family Applications (1)
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| DE19782846097 Ceased DE2846097A1 (de) | 1978-10-23 | 1978-10-23 | Solarzelle mit verbessertem wirkungsgrad aus einer halbleiteranordnung |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE2846097A1 (de) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0156366A2 (de) * | 1984-03-26 | 1985-10-02 | Unisearch Limited | Solarzelle mit vergrabenem Kontakt |
| WO1987002513A1 (fr) * | 1985-10-11 | 1987-04-23 | Nukem Gmbh | Cellule solaire |
| CN105161575A (zh) * | 2015-09-30 | 2015-12-16 | 江苏盎华光伏工程技术研究中心有限公司 | 一种硅片的预处理方法、硅片和太阳能电池片 |
| CN109119496A (zh) * | 2017-08-29 | 2019-01-01 | 柯作同 | 太阳能电池及其制造方法 |
| CN109216479A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-01-15 | 泰州隆基乐叶光伏科技有限公司 | 一种太阳能电池及其生产工艺 |
-
1978
- 1978-10-23 DE DE19782846097 patent/DE2846097A1/de not_active Ceased
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