DE2952431A1 - Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

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DE2952431A1 DE19792952431 DE2952431A DE2952431A1 DE 2952431 A1 DE2952431 A1 DE 2952431A1 DE 19792952431 DE19792952431 DE 19792952431 DE 2952431 A DE2952431 A DE 2952431A DE 2952431 A1 DE2952431 A1 DE 2952431A1
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Description

  • GEGENSUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf Sonnenenergiezellen mit wenigstens einer Hauptoberfläche zum Empfangen und Absorbieren von auffallendem Licht. Insbesondere bezieht sie sich auf Zellen, die zur Erzeugung von Elektrizität in irdischen Bereichen, obgleich sie auch auf Zellen anwendbar ist, die als Energiequelle in Orbitalsatelliten und anderen Einrichtungen im Weltraum dienen und infolgedessen nicht - wie im terrestrischen Bereich - gegen das Bombardement der Energietejlchen aus dem Weltraum durch die Atmosphäre abgeschirmt sind.
  • BWD DER DEB Seit vielen Jahren beschäftigt die Fachwelt das Problem der Reflektion des auf eine Solarzelle treffenden Lichtes zu verringern und seine Absorption zu vergrößern. Obwohl man mit Antireflektionsschichten z.B. aus Tantal oder Niobium-Pentoxyd die Energieverluste durch Reflexion herabsetzen kann, treten Verluste durch Absorption diesen Antireflexionssohichten auf, und außerdem ist der Antireflexionseffekt nicht bei allen Nutzwellenlängen wirksam.
  • Um andererseits die Absorption der verfügbaren Lichtenergie zu verbessern, ist man auch schon dazu übergegangen, die Lichtempfangsfläche zu texturieren, insbesondere durch Ätzen der Oberfläche mit einer Kaliushydroxyt- oder Natriuihydroxyt Lösung. Dadurch entsteht eine Oberfläche mit pyramidenförmigen Erhebungen unregelmäßiger Abmessung. Man will das reflektierte Licht dadurch möglichst wieder einfangen, indem es gegen Nachbarpyramiden stößt und von diesen absorbiert wird.
  • Ein solches Einfangen kann in gewissem Maße die Absorption verbessern, jedoch ist eine Textur in Form vorstehender Erhebungen nachteilig, weil die Pyramidenspitzen beim Gebrauch leicht abbrechen. Da die Zelle mit solcher Oberflächentextur einer Imprägnierung nachträglich mit einer Verbindungsimprägnierung versehen wird, führen abgebrochene Pyramidenspitzen dazu, daß dort keine fotoelektrische Verbindung zustandekommt, was die Wirksamkeit der Zelle beeinträchtigt. Weges der vorstehenden scharfen Sitzen ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung der Elektrode, die zudem an Uberbr~uckungsstellen einer Bruchgefahr ausgesetzt ist. Da ferner zur Herstellung meist eine Schattenmarke verwendet wird, werden die Pyramidenspitzen leicht beschädigt und es muß zweimal maskiert werden oder ein diskontinuierliches Gitter in Kauf genommen werden. Wohl der schwer wiegendste Nachteil ist, daß durch das Gitter an Stellen gebrochener Pyramidenspitzen Zellenkurzschlüsse von p- und n-Bereichen entstehen können. Besonders aus diesem Grunde haben sich texturisierte Oberflächen in der fotoelektrischen Technik nicht durchsetzen kennen.
  • Andererseits nimmt die Entwicklung von Solarzellen im Weltraumprogramm der USA einen sehr breiten Raum ein als elektrische Energiequelle für Raumfahrzeuge. Die Entwicklung geht hier vornehmlich dahin, den Wirkungsgrad der Zellen zu verbessern und damit die Kost ei zur Bewältigung der Aufgaben im Weltraum herabzusetzen. Vor allen Dingen hat sich die Entwicklung auf die Verbesserung der Lebensbedingungen im Weltraum konzestriert. Das ist sicherlich nützlich und fährt zu Zellen, die mirtschaftlicher auch für terrestrische Anwendung sind. im Weltraum, jedoch, sind die Zellen dem Bombardement von Partikelenergie ausgesetzt, die nicht durch die Atmosphäre der Erde abgeschwächt ist. Die Zellen, die im Rauiprograai eingesetzt werden, haben eine beträchtlich kür#csre Lebensdauer als diejenigen, die nur terrestrisch eingesetzt werden. In der Tat rechnet man bei Solarzellen für Raumsatelliten mit einer Nutzungsdauer von etwa sieben bis zehn Jahren. infolgedessen hat auch ein Satellit, da er durch die Solarzellen betrieben wird, nur eine Lebensdauer von sieben bis zehn Jahren. Deshalb gehen alle Anstrengungen dahin, die Solarzellen besser gegen die Weltraumpartikelchen zu schätzen.
  • Die Bemühungen zur Lösung dieses Problems haben dazu geführt, daß man die physische Form der Zellenverbindung einer Änderung unterworfen hat, was zu der sogenannten Vertikalzelle geführt hat (vertical junction cell). Solche Zellen waren Gegenstand einer wissenschaftlichen Arbeit unter dem Titel "New Development in Vertical-Junction Solar Cells", dargeboten auf der zwölften U Photovoltaic Specialists Oonference - 1976 vom 15. bis 18. November 1976 in Baton Rouge, louisiana. Der Zweck einer Bildung von vertikalen Kanälen in der 1-0-0-Oberfläche einer Solarzelle, wobei die photoelektrische Verbindung vertikale Kanäle einwärts von der Zellenoberfläche bildet, ist es, die Verbindung näher an die absorbierte Lichtenergie zu bringen. Da Defekte in der Zellenstruktur, die durch Weltraumwirkung verursacht werden, die Energieaufnahme beeinträchtigen können, erhöht die Minderung des Abstandes zwischen Träger und Verbindung die Wahrscheinlichkeit, daß solche Träger zur Verbindung gelangen. Vertikal zellen haben aber - wenngleich sie auch bei Schäden durch Raumstrahlung funktionsfähig bleiben -den Nachteil, daß sie sich nur schwer exakt herstellen lassen. Soweit bisher bekannt, können sie nur in einer Fläche der 1-1-0-Ebene von monokristallinem Silizium mit den gemeinsamen Ebenen 1-1-1 und 1-0-0 hergestellt werden.
  • Infolgedessen sind Vertikal zellen nur schwer gleichförmig herzustellen und mit verhältnismäßig hohem Kostenaufwand.
  • Ohne Prage ist die Degradation bei Irradation merklich geringer als bei Siliziumzellen mit planarer Verbindung. Eine Steigerung der Absorption läßt sich mit sehr kleinen Wandabständen bewirken, dann aber ist die Struktur äußerst zerbrechli ch.
  • AU7WE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorteile der Vertikalzelle mit der ihr eigenen Widerstandsfähigkeit gegen Strahlenschäden mit denen der strukturierten Zelle mit ihrer verbesserten Absorption zu verbinden. Es ist in erster Linie Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle mit einer Oberfläche zu schaffen, die auffallendes Licht empfängt und möglichst vollständig absorbiert und die eine Minderung der Wirksamkeit durch Strahlungsschäden bester vermeidet als eine Zelle mit ebener Verbindung.
  • Io8UNG DER AtlYGABE Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Silizium-Solarzelle mit wenigstens einer Hauptfläche zum Empfangen, Absorbieren und Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie wenigstens eine der Hauptoberflächen einer Siliziumscheibe dem Angriff durch ein Siliziumätzmittel unterworfen und dabei durch einen gegen dieses Ätzmittel resistenten tfberzug maskiert, der mit offenen Bereichen versehen ist, in denen durch die Ätzung Vertiefungen in der Scheibenoberfläche entsprechend dem Muster der Maske erzeugt werden.
  • Die auf solche Weise hergestellten Siliziumscheiben haben nach Beseitigung der Maske Vertiefungen von pyramidenförmiger Gestalt, deren Basis in der ebenen Hauptfläche liegt, Es können auch andere geometrische Figuren vorliegen, jedoch mit dem pyramideneigenen Material, daß die Grundfläche im allgemeinen mit der Hauptempfangsebene zusammenfällt.
  • Vorzugsweise nehmen die Vertiefungen mit ihren Grundflächen etwa 90 ,~ der Zellenoberfläche ein.
  • Eine solche Zelle mit Vertiefungen in Gestalt von umgedrehten Pyramiden hat den Vorteil, daß sie resistent gegen schädigende Strahleneinwirkung ist und eine gute Licht falleinwirkung aufweist, indem an den Pyramidenflächen reflektierte Lichtstrahlen gegen gegenüberliegende geneigte Flächen stoßen und dabei einer fortlaufenden Absorption unterliegen. Ferner werden alle Nachteile, die mit pyramidenartigen Erhebungen verbunden sind, vermieden.
  • Insbesondere werden Schäden an den geneigten Flächen bei der Herstellung und beim Gebrauch mit ihren Folgen vermieden.
  • Besonders wichtig ist, daß sich die neue Zelle verhältnismäßig einfach und wirksam herstellen läßt. Das neue Verfahren zur Herstellung nutzt die Eigenschaft bekannter Ätzmittel, Silizium, nicht dagegen andere Materialien anzugreifen. Kalium- und Natrium-Hydroxyd beispielsweise greifen Silizium, nicht dagegen andere Materialien - wie z.B. Oxyde des Siliziums - an.
  • Die bei der Herstellung maskierte Fläche ist gewöhnlich die 1-0-0-Oberfli¢he der Siliziuischeibe. Das durch die offenen, vorzugsweise geometrischen und symmetrischen offenen Bereiche der Maske wirksame ätzmittel greift das Silizium im Offenbereich an und erzeugt entsprechend geometrische Vertiefungen mit pyramidenartig geneigten Böschungen. Nach Beseitigung der Maske und geeigneter Waschung wird in die Zelle durch Diffusion oder sonstwie eine impurity eingebracht, nachdem sie zuvor geimpft worden ist. Durch die Diffusion wird wie üblich die n-p- oder p-n-Verbindung im Zell merken gebildet, die sich wie das Muster der Vertiefungen über die ganze Ausdehnung der Zelle erstrecken.
  • Als besonders einfach und wirksam hat sich die Bildung einer durchgehenden Oxydschicht durch Einwirkung von Dampf erwiesen. Durch den Wasserdampf wird über die ganze Oberfläche eine Siliziumdioxydschicht gebildet. In photolitographischem Verfahren wird sodann auf dem zunächst noch durchlaufenden Material der Oxydschicht als zu erzeugender Arbeitsmaske eine Hilf smaske gebildet und ein Ätzmittel eingesetzt, das die Oxydschicht, nicht aber das Silizium angreift. Durch die so gebildeten, bis zur Siliziumoberfläche durchgehenden offenen Bereiche kann alsdann die Bildung der pyramidenförmigen Vertiefungen stattfinden.
  • Schließlich wird das Maskeniaterial durch ein ätzmittel für Siliziumdioxyd entfernt, die Zelle gewaschen und die Fertigstellung der Zelle durch Diffusion u.a. vorgenoemen.
  • Diese und andere Zwecke, Merkmale und Vorteile der Erfindung (Verfahren und Erzeugnis) werden besser ersichtlich in Verbindung mit der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfährungsformen, wie sie in der Zeichnung veranschaulicht sind.
  • Fig. 1 zeigt den Verfahrensverlauf der bevorzugten Herstellung und Fig. 2 die Draufsicht der Oberfläche einer im Verfahren nach Fig. 1 hergestellten Solarzelle in schematischer Darstellung.
  • Wie Fig. 1 zeigt, wird eine Silizium-Oblate 10 der gewünschten Stärke, s.B. eine Scheibe von drei Zoll Durchmesser und zehn tausendstel Zoll Stärke, die aus im wesentlichen monokristallinem, mit Bor gedoptem Silizium besteht nach folgendem Verfahren bearbeitet. Diese, in geeigneter Weise geschlitze Scheibe 10, die eine Hauptoberfläche 11 in der 1-0-0 kristailographischen Ebene des Siliziums aufweist, wird während einer halben Stunde dem Einfluß einer DampfatmoWh~are von q000 C unterworfen. Each dieser Dampfbehandlung ist die Oberfläche 11 mit einer Schicht 12 aus Siliziuindioxyd bedeckt, mit einer Stärke von z.B. etwa 2.000 i.
  • Alsdann wird ein gleichmäßiger Verzug 14 auf die Siliziumdioxydschicht 12 aufgebracht. Dieser photoresistente Belag ist regelmäßig beschaffen wie in der US-Anmeldung Ser.No.
  • 614.618 vom 18.9.1975 beschrieben als eine Art der Herstellung einer gemusterten Beschichtung mit photolitographischer Technik. Dieser Obersug wird sodann photo graphisch in eine gemusterte Schicht mit sehr kleinen Löchern oder offenen Bereichen mit einem Mittenabstand von etwa 30 Mikron terwandelt. Danach wird durch Waschen mit einem Lösemittel das photographisch ausgelochte Material entfernt. Nach der Behandlung im Lösemittelbad hat die Biliziumscheibe die in Fig. 1 an dritter Stelle dargestellte Form mit offenen Bereichen über der durchgehenden Siliziumoxydschicht 12.
  • Anschließend wird ein Ätzmittel aufgebracht, das für Siliziumdioxyd, aber nicht für Silizium oder den Überzug 14 wirksam ist. Im Beispiel wurde Fluorwasserstoffsäure als Ätzmittel benutzt. Nach dem Eintauchen in das Ätzmittel nimmt die Scheibe 10 die an vierter Stelle der Fig. 1 schematisch dargestellte Form an, in der die offenen Bereiche 16 der Photo schicht 14 bis durch die Siliziumdioxydschicht 12 erweitert sind - zu den offenen Bereichen 17.
  • Der Rest des Ubersuges 14 (außerhalb der Bereiche 17) wird durch Eintauchen in ein organisches Lösemittel, z.B. Aceton, entfernt, womit sich die an fünfter Stelle in Fig. 1 dargestellte Form der Zelle ergibt, in der die nunmehr weniger tiefen offenen Bereiche 18 sich bis zur Oberfläche 11 der Siliziumscheibe 10 erstrecken - in einem Muster mit gleichem Abstand über den ganzen Bereich der Hauptebene 11 der Siliziumscheibe 10 in der Siliziumdioxydschicht 12.
  • In der nun folgenden Verfahrensstufe wird die Scheibe mit ihrer Siliziumdioxydschicht in ein Bad eines ßiliziumätzmittels getaucht, das z.B. aus einer 5 %igen Lösung von KOH bei 70 bis 806C besteht, über eine Dauer von etwa fünf Minuten. Da EOH ein Ätzmittel für Silizium, nicht aber für Siliziumdioxyd darstellt, bleibt die Siliziumdioxydschicht 12 im wesentlichen unverändert. Dagegen findet eine Ätzung der Fläche 11 statt, die - da sie sich in der kristallographischen 1-0-0-Ebene monokristallinen Siliziums vollzieht -eine geätzte Oberfläche mit geneigten Ebenen 19 ergibt, die im Körper der Scheibe 10 eine Pyramidenspitze 20 bilden, die jedoch nach unten gerichtet ist.
  • In der folgenden Verfahrensstufe wird die Scheibe abermals einer Behandlung durch Fluorwasserstoffsäure unterworfen, um den Rest der Siliziumdioxydschicht 12 zu entfernen.
  • Damit ergibt sich die an letzter Stelle in Fig. 1 dargestellte Form der Scheibe mit gleichmäßig verteilten pyramidenförmigen Vertiefungen 22 in der Hauptebene 11, wobei - wie aus der Draufsicht in Fig. 2 in noch größerem Maßstab erkennbar - vier Pyraxidenebenen 19 jeweils in einem einzigen Apex 20 enden. Die Vertiefungen 22 nehmen mehr als 50 % der in der Zelle verbleibenden Fläche II ein.
  • In der bevorzugten Busführungsforpp nehmen die Vertiefungen sogar 90 % der Hauptebene 11 ein, welche Licht empfängt und absorbiert. Die Spitzen der Vertiefungen 22 liegen etwa 20 Mikron tief; die Basis der Vertiefungen hat eine Länge von etwa 15 Mikron und eine etwa gleich große Breite.
  • Die Breite der Zellenoberfläche zwischen den Vertiefungen beträgt etwa 1 Mikron.
  • Vorzugsweise sind die offenen Bereiche in der Siliziumdioxydschicht möglichst symmetrisch angeordnet. Es können daher aber auch andere als symmetrische Vertiefungen (statt quadratisch oder rund) vorgesehen sein, mit Abweichungen bis zum Faktor zwei zwischen der breitesten und schmalsten Stelle.
  • Zweckmäßig werden auf beiden Seiten der Scheibe pyramidenförmige Vertiefungen erzeugt. Dabei werden die Vertiefungen auf der Rückseite, welche nicht dem Licht ausgesetzt wird, mit einem wärmeleitenden Metall ausgefüllt, z.B. mit Lötmetall. Die Vorderseite dient dann der Lichtabsorption und die Rückseite der Wärmeableitung unter Kontakt mit z.Bt Luft oder Wasser als Eihleittel.
  • Die beschriebenen Ausfiihrungsformen zeigen nur bevorzugte Verwirklichungen der Erfindung. Insbesondere können weitere Versuche zu Abmessungen fihren, die von den bisher erprobten abweichen, zumal in Verbindung mit sepzifischen Anwendungen der neuen Zelle. Ferner können andere als photolitographische Verfahren zur Bildung der offenen Bereiche in der Siliziumdioxydschicht oder andere Überzüge für die Lichtempfangsseite der Zelle angewandt werden. So könnte auch ein gemusterter ueberzug aufgebracht und durch diesen tbersug die ätzung zur Bildung der Vertiefungen vollzogen werden; da jedoch eine hohe Präzision gefordert wird und der Uberzug widerstandsfähig gegen das Silikonätzmittel sein muß, dürfte das oben beschriebene Verfahren im allgemeinen zu bevorzugen sein. Das Ätzen der Scheibenoberfläche kann auch durch offene Bereiche eines überzuges aus Titan oder Titandioxyd erfolgen, was den Vorteil einer Bearbeitung bei niedrigeren Temperaturen unter Vermeidung einer Gefahr von Hitzeschäden der Zelle hätte. Alle Abänderungen und andere Ausführungsformen und Äquivalent. im Rahmen der Erfindung, soweit sie unter die Anspräche fallen, sollen eingeschlossen sein.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit wenigstens einer Hauptfläche zum Empfangen, Absorbieren und Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Haupt oberflächen (11) einer ßiliziumscheibe (10) dem Angriff durch ein Siliziumätzmittel unterworfen und dabei durch einen gegen dieses Ätzmittel resistenten Überzug maskiert wird, der mit offenen Bereichen (18) versehen ist, in denen durch die Ätzung Vertiefungen (22) in der Scheibenoberfläche entsprechend dem Muter der Maske erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Bereiche (18) im wesentlichen symmetrisch ausgebildet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine gleichmäßige Schicht (12) auf der Oberfläche (11) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennseichnet, daß der tbersug (12) durch Reaktion des Silizium mit einem äußerlich angewandten Reagenz erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Bereiche (16,17,18) durch Ätzung mit einem Ätzmittel erzeugt werden, das Silizium praktisch nicht angreift.
6. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Naskenschicht aus Titan besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Naskenschicht (12) durch Bildung von Siliziumoxyd erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumoxydschicht (12) ihrerseits durch eine zweite Naskenschicht (14) hindurch einer Ätzung unterworfen wird, welche das Silizium nicht angreift.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Naskenschicht (14) aus einem lichtempfindlichen Film besteht, der nach einem photolitographischen Verfahren mit offenen Bereichen (16) versehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) mit den offenen Bereichen (16) der zweiten Maske (14) einer Ätzung unterworfen wird, welche das Material der ersten Maske (12), nicht dagegen das Material der zweiten Maske (14) angreift.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den beiden Masken (12,14) versehene Scheibe (10) einer Ätzung unterworfen wird, welche das Material der zweiten Maske (14) nicht dagegen das Silizium und das Material der ersten Maske (12) angreift.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nur noch mit der ersten Maske (12) versehene Scheibe (10) einer Ätzung unterworfen wird, welche das Material der ersten Maske (12), nicht dagegen das Silizium angreift.
13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation zur Bildung der ersten Maske (12) durch Dampf herbeigeführt wird.
14. Siliziuisolarzelle, dadurch gekennzeichnet, daß ihre lichtempfangende Oberfläche (11) mit vielen Vertiefungen (22) versehen sind.
15. Zelle nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Vertiefungen (22) in Gestalt von Pyramiden mit Grundfläche in der Oberfläche der Siliziunzelle (10).
16. Zelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (22) mit ihren Grundflächen etwa 90 % der Oberfläche (11) der Zelle einnehmen.
17. Zelle nach einem der Anspräche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auch die rückseitige Oberfläche der Zelle (10) gleicherweise mit Vertiefungen versehen ist, die mit einem wärmeleitenden Metall ausgefüllt sind.
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