DE2944185A1 - Solarzelle - Google Patents

Solarzelle

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Description

29AA185
Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70
Heilbronn, den 11.10.79 SE2-HN-Ma-al HN 79/37
Solarzelle
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle aus einem einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörper, einer Metallisierung auf der für die Lichteinstrahlung vorgesehenen Oberflächenseite, die außerdem mit einer reflexionsmindernden Schicht versehen ist, sowie einem Rückseitenkontakt auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers.
Silizium-Solarzellen werden bisher zur Erhöhung ihres Umwandlungswirkungsgrades mit einer Anti-Reflexionsschicht auf der für den Lichteinfall vorgesehenen Oberflächenseite versehen. Diese reflexionsmindernde Schicht besteht aus einem isolierenden Material und darf daher den für die Weiterverbindung zu anderen Zellen vergesehenen Kontakt oder Verbindungsbereich auf der Solarzellenvorderseite nicht bedecken. Die Dicke der re-
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flexionsmindernden Schicht muß so gewählt werden, daß das Minimum der Reflexion bei ca. 600 nm auftritt. Es handelt sich somit im allgemeinen um eine λ/4-Schicht eines Oxyds mit einem Brechnungsindex von 1,4 - 2,4. Diese Schicht vermindert das Reflexionsvermögen der Solarzellenoberfläche im Wellenlängenbereich zwischen 0,3 - 1,2 μΐη von ca. 30 % auf weniger als 10 %, so daß der Solarzellenwirkungsgrad erheblich erhöht wird.
Bei der Herstellung der reflexionsmindernden Schicht mußte bisher der Kontaktierungsbereich maskiert werden, um dort die Bildung einer isolierenden Abdeckschicht zu verhindern. Diese Maskierung mußte schließlich zur Freilegung des Metallkontaktes wieder beseitigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle anzugeben, die sich unter Einsparung wenigstens eines Maskierungsschrittes auf einfache Weise herstellen läßt. Außerdem soll mit der Solarzelle auf einfachste Weise der Aufbau von Solarzellenbatterien ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird bei einer Solarzelle der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die reflexionsmindernde Schicht die Metallisierung vollständig, einschließlich der für die Weiterverbindung zu anderen Zellen vorgesehenen Kontakt- oder Verbindungsstelle bedeckt. Dies bedeutet, daß die reflexionsmindernde Schicht lückenlos die gesamte Solarzellenvorderseite abdeckt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es Kontaktierungsmethoden gibt, durch die die den Kontaktbereich überdeckende reflexionsmindernde Schicht im Kontaktierungsbereich gleichzeitig mit der Kontaktierung entfernt werden kann. Die reflexionsmindernde Schicht und das Kon-
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— Ύ mm.
taktierungsverfahren müssen somit derart gewählt werden, daß diese Anti-Reflexionsschicht durch die bei der Kontaktierung erforderliche Oberflächenbeanspruchung lokal beseitigt wird. Dabei muß gewährleistet sein, daß durch die Kontaktierung eine elektrisch gut leitende und mechanisch fest haftende Verbindung zwischen der Kontaktierungsstelle und dem gewählten Verbindungselement zustandekommt.
Die erfindungsgemäße Solarzelle hat den Vorteil, daß ein Maskierungsschritt bei der Herstellung der Anti-Reflexionsschicht eingespart werden kann. Außerdem ist der für die Kontaktierung vorgesehene Bereich des Vorderseitenkontaktes bis zum Aufbau der Solarzellenbatterie mit einer schützenden und passivierenden Oxydschicht bedeckt, die bei der Kontaktierung nur im unmittelbaren Umgebungsbereich einer oder mehrerer Verbindungsstellen wieder beseitigt wird.
Die reflexionsmindernde Schicht besteht bei den erfindungsgemäßen Solarzellen beispielsweise aus Titanoxyd oder aus einem Titanmischoxyd, aus Siliziummonoxyd, Siliziumdioxyd, Tantaloxyd, Nioboxyd oder Aluminiumoxyd. Es ist auch möglich, daß die Anti-Reflexionsschicht mehrere der genannten Bestandteile enthält oder insgesamt mehrschichtig aufgebaut wird. Eine Titanoxydschicht hat eine Dicke von beispielsweise 65 nm. Die Halbleiterscheibe für die Solarzelle selbst kann aus p- oder η-leitendem, einkristallinem oder auch nicht einkristallinem Silizium bestehen. Beispielsweise ist auch die Verwendung von nicht einkristallinem Silizium möglich, daß unter dem Namen Silso-Material erhältlich ist.
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Die reflexionsmindernde Schicht kann thermisch erzeugt werden, aufgedampft, aufgeschleudert, aufgesprüht oder durch Tauchen hergestellt werden.
Zum Aufbau von Solarzellenbatterien mit den erfindungsgemäßen Solarzellen wird vorzugsweise das Ultraschall-Schweißverfahren verwendet. Gesonderte Verbindungselemente werden mit Hilfe der Ultraschall-Schweißtechnik
durch die reflexionsmindernde Schicht hindurch, die
somit lokal beseitigt wird, mit dem auf dem Halbleiterkörper angeordneten Metallkontakt verbunden. Der Metall kontakt der Solarzelle besteht beispielsweise aus Aluminium, Silber, Nickel, Kupfer oder aus einer Schichten kombination wie beispielsweise Titan-Palladium-Silber. Die gesonderten Verbindungselemente für den Aufbau der Solarzellenbatterie können aus denselben Materialien
bestehen.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im folgenden noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In der Fig. 1 ist eine Einzelsolarzelle 1 dargestellt, die beispielsweise aus einkristallinem Silizium besteht. Der Grundkörper 7 ist p-leitend und weist eine dünne,
η-leitende Oberflächenschicht 6 auf. Die beiden Zonen
6 und 7 bilden an der Übergangsstelle den parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufenden pn-übergang 2.
Die für den Lichteinfall vorgesehene Vorderseite der
Solarzelle ist mit einem kammartigen Kontakt versehen. Die schmalen, parallel zueinander verlaufenden Leitbahnen 3 b enden an einem Sammelsteg 3 a, der in der
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Nähe des Randes des Halbleiterkörpers senkrecht zu den Streifen 3 b verläuft. Dieser Sammelbalken 3 a ist in seinem mittleren Bereich zur Bildung einer Kontaktierungsstelle 5 erweitert. Der diese Kontaktierungsstelle 5 umgebende Oberflächenbereich der Solarzelle darf bei herkömmlichen Solarzellen nicht mit einer reflexionsmindernden Schicht bedeckt werden. Bei der Solarzelle nach der Erfindung ist jedoch die gesamte Vorderseite der Solarzelle, einschließlich der Kontaktierungsstelle 5, mit der reflexionsmindernden Schicht bedeckt. Diese reflexionsmindernde Schicht 4 besteht beispielsweise aus Titanoxyd oder aus einem Titanmischoxyd. Die Teile 3a, 3b und 5 des Vorderseitenkontaktes bestehen beispielsweise aus Aluminium oder aus Titan-Palladium-Silber. Der Solarzellen-Rückseitenkontakt 8, der vorzugsweise die gesamte Rückseite des Halbleiterkörpers bedeckt, besteht vorzugsweise aus den gleichen Materialien wie der Vorderseitenkontakt.
In der Fig. 2 ist eine Solarzelle 1 dargestellt, deren Vorderseitenkontakt die Struktur eines Doppelkammes hat. Diese Solarzelle besteht beispielsweise aus nicht einkristallinem Silizium, wobei es sich um ein Material handeln kann, das im Handel unter der Bezeichnung Silso-Material erhältlich ist. Diese Zelle ist groß gegenüber den aus einkristallinem Material hergestellten Zellen und hat beispielsweise eine Kantenlänge von 10 cm. Ansonsten entspricht der Aufbau der Solarzelle nach der Fig. 2 dem der Fig. 1. Die Zelle enthält gleichfalls einen pn-übergang 2, der eine n-Zone 6 vom p-leitencen Substratmaterial 7 trennt. Der Vorderseitenkontakt besteht aus einem mehrere Millimeter breiten balkenförmigen Teil 5, der in der Mitte der Solarzellenvorderseite parallel zum Solarzellenrand verläuft. In beiden Richtungen gehen von diesem Mittelstreifen schmale und
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parallel zueinander verlaufende Leitbahnen 3 b ab, die gleichmäßig über die Oberfläche verteilt sind und somit eine optimale Stromabführung gewährleisten. Auch bei der Solarzelle nach der Fig. 2, ist die gesamte Solarzellenvorderseite einschließlich der Kontaktteile 3 b und 5 mit der reflexionsmindernden Schicht 4, die beispielsweise wiederum aus Titanoxyd besteht, abgedeckt.
In der Fig. 3 sind zwei hintereinander geschaltete Solarzellen gemäß der Fig. 1 als Teil einer Solarzellenbatterie dargestellt. Der Vorderseitenkontakt 5 einer ersten Solarzelle ist über ein Verbindungselement 9 an den Rückseitenkontakt 8 einer zweiten Solarzelle angeschlossen. Dieses Verbindungselement besteht beispielsweise aus einem ca. 50 μπ\ dicken Metallstreifen aus AIuminium oder aus Silber. Der Streifen ist ca. 2 - 5 mm breit. Er wird am Vorderseitenkontakt 5 bzw. am Rückseitenkontakt 8 durch Ultraschall-Schweißen befestigt. Beim Ultraschall-Schweißverfahren wird beispielsweise eine Sonotrode mit einem Durchmesser von 1/2 mm verwendet, die mit einem Druck von 1 - 2 kp auf die Verbindungsstelle einwirkt. Dabei wird die reflexionsmindernde Schicht 4 über der Kontaktierungsstelle 5 beseitigt und eine elektrisch gut leitende und mechanisch feste Verbindung hergestellt. Bei der Ultraschall-Schweißung, bei der es sich um eine Reibschweißung handelt, wird beispielsweise eine Schwingfrequenz von 30 kHz gewählt. Die Gesamteinwirkungsdauer beträgt ca. 200 ms.
in der Fig. 4 ist noch ein Ausschnitt aus einer Solarzellenbatterie dargestellt, die mit Zellen gemäß der Fig. 2 aufgebaut wird. Hier finden langgestreckte streifenförmige Verbinder 9 Verwendung, die beispielsweise
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wiederum aus Aluminium oder Silber bestehen. Zur Verbesserung der Stromabführung bedeckt das Ende dieses Verbindungselementes 9 den gesamten balkenförmigen Teil 5 des Vorderseitenkontaktes und ist mit diesem durch die reflexionsmindernde Schicht 4 hindurch an zahlreichen durch Ultraschall-Schweißen hergestellten Schweißstellen 10 verbunden. Das andere Ende des streifenförmigen Verbinders 9 ist mit dem Rückseitenkontakt 8 der nachfolgenden Solarzelle verschweißt.
Es wurde erwähnt, daß die reflexionsmindernde Schicht 4 auf die Solarzellen auch aufgeschleudert werden kann. Hierzu wird beispielsweise eine Silica-Lösung verwendet, die aus Tetraäthoxysilan, Methanol und 0,1 molarer SaI-petersäure besteht. Diese Lösung wird auf die rotierende Solarzelle aufgebracht und verteilt sich dort gleichmäßig. Nach dem Abdampfen der flüchtigen Bestandteile der genannten Lösung, verbleibt auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe eine dünne Schicht aus Siliziumdioxyd,
die vorzugsweise noch durch einen Temperprozeß bei } 600 - 700 0C während ca. 15 Min. verfestigt wird.
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Claims (9)

  1. Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70
    Heilbronn, den 11.10.79 SE2-HN-Ma-al HN 79/37
    Patentansprüche
    \J\Jj Solarzelle aus einem einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörper, einer Metallisierung auf der für die Lichteinstrahlung vorgesehenen Oberflächenseite, die außerdem mit einer reflexionsmindernden Schicht versehen ist, sowie einem Rückseitenkontakt auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (4) die Metallisierung (3 a, 3 b) vollständig, einschließlich der für die Weiterverbindung zu anderen Zellen vergesehenen Kontakt- oder Verbindungsstellen (5] bedeckt.
  2. 2) Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (4) lückenlos die gesamte Solarzellenvorderseite bedeckt.
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  3. 3) Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratscheibe (1) aus p- oder nleitendem einkristallinem oder nicht einkristallinem Silizium besteht.
  4. 4) Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (4) aus Titanoxid, Siliziummonoxid, Siliziumdioxyd, Tantaloxid, Nioboxid, Aluminiumoxid bzw. aus der ein- oder mehrschichten Kombination dieser Materialien besteht.
  5. 5) Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (4) thermisch erzeugt, aufgedampft, aufgeschleudert, aufgesprüht oder durch Tauchen hergestellt ist.
  6. 6) Solarzelle nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (3 a, 3 b) unter der reflexionsmindernden Schicht (4) eine Kammstruktur oder eine Doppelkammstruktur hat und aus Aluminium, Silber, Nickel oder Kupfer besteht.
  7. 7) Solarzellenbatterie aus miteinander verbundenen Solarzellen nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung eines Vorderseitenkontaktes (5) einer Zelle mit einem Rückseitenkontakt (8) einer folgenden Zelle ein metallischer Verbinder (9) vorgesehen ist, der an dem mit der reflexionsmindernden Schicht (4) bedeckten Vorderseitenkontakt (5) unter Beseitigung der reflexionsmindernden Schicht im Kontaktierungsbereich befestigt ist.
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  8. 8) Solarzellenbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kontaktierung des Verbinders (9) mit dem Vorderseitenkontakt (5) das Ultraschall-Schweißverfahren vorgesehen ist, durch das die reflexionsmindernde Schicht (4) im Kontaktierungsbereich entfernt wird.
  9. 9) Solarzellenbatterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Verbinder (9) streifenförmig ausgebildet sind und mehrere durch Ultraschall-Schweißung erzeugte Verbindungsstellen (10) zum Vorderseitenkontakt aufweisen.
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