DE3015362C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Solarbatterie wird in der DE-OS 28 39 038 beschrieben. Auf der Rück­ seite des die Solarzellen tragenden Substrats befinden sich mehrere transparente, leitende Oxidstreifen, auf die die Solarzellen mit elektrischem Kontakt aufgebracht sind. Im Bekannten wird zunächst eine großflächige Fotozelle schicht­ weise auf die Gesamtoberfläche eines durchsichtigen Sub­ strats aufgebracht. Anschließend werden zum Bilden einer Vielzahl kleinerer Fotozellen bestimmte Abschnitte der auf­ gebrachten Schichten selektiv abgetragen. Schließlich wird ein leitfähiges Material aufgebracht, durch welches die Fotozellen zu einer Batterie vereinigt werden. In einem Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen jeder einzelnen Fotozelle und dem Substrat ein Oxidstreifen. Dieser besteht in einem Ausführungsbeispiel aus SnO_x und hat eine Breite von etwa 1 mm. Die durch jede Fotozelle erzeugte Spannung wird durch Kontakte an dem Oxidstreifen einerseits und an einem dem Substrat gegenüberliegenden Kontakt andererseits abgenommen. Auf diese Weise entsteht eine Reihenschaltung aller Einzelzellen.

In der US-Z.: Appl. Phys. Lett., Bd. 35, 15. Juli 1979, Seiten 187 bis 189 wird eine Tandem-Anordnung von Sperr­ schicht-Solarzellen beschrieben. Diese sogenannten Tandem- Solarzellen bestehen aus mehreren in Reihe geschal­ teten und in sich in Zonen voneinander abweichenden Lei­ tungstyps unterteilten Halbleiterschichten aus hydriertem, amorphem Silizium. Zum Abgreifen der durch eine solche An­ orndung erzeugten Spannung sind Kontakte insbesondere auch auf der Lichteinfallsseite erforderlich.

In der älteren DE-OS 29 50 085 wird eine Tandem- bzw. Kas­ kaden-Anordnung von Sperrschicht-Solarzellen auf der Basis von amorphem Silizium vorgeschlagen. Zu diesem als Tandem-Über­ gang-Solarzelle bezeichneten Bauelement gehören zwei oder mehrere Schichten hydrierten, amorphen Siliziums, die in geschichteter Tandemanordnung aufeinanderliegen, einen opti­ schen Pfad bilden und jeweils mittels eines Tunnelübergangs elektrisch miteinander gekoppelt sind. Um in jeder der über­ einanderliegenden Halbleiterschichten ein eingebautes elek­ trisches Feld vorzusehen, sind die aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Schichten in Zonen mit voneinander abweichendem Leitungstyp unterteilt. Die Schichten können zwar alle dieselbe Breite des verbotenen Bandes aufweisen, es werden jedoch Schichten mit stufenweise voneinander ab­ weichenden Bandabständen bevorzugt, um Photonen verschie­ dener Energie des Sonnenspektrums vollständiger zu absor­ bieren. Eine solche Solarzelle besitzt eine erhöhte Lei­ stungsfähigkeit gegenüber bisherigen Zellen, da ein größe­ rer Teil des Sonnenspektrums der Absorption unterliegt. In den Solarzellen mit relativ großer bestrahlter Fläche wird jedoch auf der Bestrahlungsseite eine Gitterelektrode zum Sammeln des Photostroms benötigt. Diese Gitterelektrode kann bis zu 10% der zur Verfügung stehenden Sonnenstrah­ lung von der Aktivzone der Solarzelle abschirmen. Mit zuneh­ mender Größe von Solarzelle und von dieser geliefertem Strom nimmt die Kompliziertheit der Gitterelektrode eben­ falls zu, so daß hierdurch praktisch eine obere Grenze für die Größe großflächiger Solarzellen gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen, mit deren Hilfe ein maximaler Anteil der auf­ treffenden Sonnenstrahlung verschiedener Wellenlängen- und Energiebereich zu absorbieren ist, ohne daß der Abschirm­ effekt der Gitterelektrode und durch den elektrischen Wi­ derstand der Gitterelektrode bedingte Größenbeschränkungen in Kauf zu nehmen wären.

Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Patent­ anspruchs 1 beschrieben. Verbesserungen und weitere Ausge­ staltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen ange­ geben.

Durch die Erfindung wird also eine Solarbatterie, d. h. ein aus mehreren Solarzellen bestehender Solargenerator, ge­ schaffen. Die Solarbatterie enthält mehrere in Reihe ge­ schaltete Tandem-Solarzellen-Streifen, wobei die Streifenlänge im Prinzip unbegrenzt ist. Die Tandem- Solarzellen beste­ hen jeweils aus mehreren Schichten mit je einer Sperr­ schichtsolarzelle aus hydriertem, amorphem Silizium, die voneinander jeweils durch einen Tunnelübergang getrennt sind und in Tandem- bzw. Kaskaden-Konfiguration übereinan­ der angeordnet sind. Die Dicke der amorphen Siliziumschich­ ten wird dabei zweckmäßig so ausgewählt, daß sich ein maxima­ ler Wirkungsgrad bei im wesentlichen gleichen von jeder Schicht geliefertem Strom ergibt.

Erfindungsgemäß wird die Breite der Solarzellenstreifen so gewählt, daß (auf der bestrahlten Fläche) die Streifenbreite der Solarzellen im Hinblick auf ein Minimalisieren des bei fehlender Gitterelektrode in Kauf zu nehmenden Energieverlustes maximiert wird. Die Streifenbreite ist also so einzustellen, daß der Energie­ verlust durch die Abschirmwirkung einer Gitterelektrode größer wäre als der durch die Gitterelektrode zu erzielende Energie­ gewinn. Zu berücksichtigen ist dabei auch, daß die Abschirm­ wirkung der Gitterelektrode mit zunehmender Leistung der Solarzelle überproportional zunimmt, weil die einzelnen Leiter der Gitterelektrode wegen des höheren Stromes stärker werden müssen. Mit der Erfindung gelingt es also, die mit der Gitterelektrode zusammenhängenden Probleme dadurch zu beseitigen, daß man die Solarzellenanordnung in mehrere so schmale Längsstreifen aufteilt, innerhalb deren jeweils eine Gitterelektrode einen Energiegewinn nicht bringen würde.

Die Breite des verbotenen Bandes der hydrierten, amorphen Siliziumschichten der Solarzellenstreifen kann durch Einstellen der Wasserstoffkonzentration in den hydrierten, amorphen Siliziumschichten auf einen Bereich von etwa 1,5 bis etwa 1,8 eV ausgedehnt werden.

Anhand der schematischen Darstellung einer Schnittzeichnung einer Solarbatterie wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher erläutert.

In der Zeichnung wird eine insgesamt kurz als Solarbatterie 10 bezeichnete, aus einer Reihenschaltung von Solarzellen bestehende Solarbatterie schematisch im Schnitt dargestellt. Auf die Oberfläche der Solarbatterie 10 auffallende Sonnenstrahlung 100 bildet eine Bezugsrichtung für die Auftreff-Fläche jeder Schicht oder Zone der Solarbatterie.

Zu der Solarbatterie 10 gehört ein durchsichtiges Substrat 32 aus Materialien wie üblichem Fensterglas oder einem Borsilikatglas. Auf dem Substrat 32 werden mehrere Streifen 34 aus einem transparenten leitenden Oxid (TLO), im Ausführungsbei­ spiel aus Indiumzinnoxid (ITO), gebildet.

Die Streifen 34 bilden die Deckelelektrode für mehrere in Reihe geschaltete Tandem-Solarzellen 20, 21, 22 auf Basis von hydriertem, amorphem Silizium. Die TLO-Streifen 34 sollten so dünn wie möglich sein, um eine maximale Durch­ lässigkeit für Sonnenstrahlen zu gewährleisten. Die Dicke sollte jedoch so eingestellt werden, daß sich ein spezifischer Flächenwiderstand von etwa 100 Ohm/Quadrat oder weniger ergibt. Vorzugsweise beträgt der spezifische Flächenwider­ stand etwa 10 Ohm/Quadrat. Die Dicke der TLO-Schicht kann (gleichzeitig) auch so ausgewählt werden, daß von der Schichtdicke abhängige Antireflexionsbedingungen auszunutzen sind. Da die einzelnen Solar­ zellen 20 bis 22 gleichwertig sind, wird im wesentlichen nur die Solarzelle 20 im einzelnen beschrieben, wobei Gleiches mit gleichem Bezugszeichen für die Zellen 21 und 22 gilt.

In der Solarzelle 20 wird die TLO-Schicht bzw. werden die entsprechenden Streifen 34 von einer Metallkeramikschicht 36 elektrisch kontaktiert. Letztere wird aus Materialien wie PtSiO₂ mit etwa 7 bis 15 Vol.-% Platin und einer Dicke von etwa 2 bis 10 nm hergestellt. Die Metallkeramik­ schicht 36 kann aber auch aus dielektrischem bzw. isolieren­ dem Material, zum Beispiel TiO₂ in Verbindung mit einem Metall hoher Austrittsarbeit gemäß US-PS 41 67 015 gebildet werden.

Mit elektrischem Kontakt wird auf die Metallkeramikschicht 36 die der Sonnenstrahlung 100 zugewandte Aktivschicht 38 aus hydriertem amorphem Silizium aufgebracht. Die Aktiv­ schicht 38 besteht aus im Leitungstyp voneinander abweichenden Zonen 38a, 38b und 38c. Bei der ersten Zone 38a handelt es sich um eine hydrierte, amorphe Siliziumschicht, die mit Bor oder anderen passenden Dotierstoffen P-dotiert wird. Die Schichtdicke der Zone 38a liegt zwischen etwa 10 und 40 nm, vorzugsweise bei etwa 37,5 nm. Die auf die Zone 38a niedergeschlagene Zone 38b aus eigenleitendem, hydriertem amorphem Silizium besitzt eine Dicke von etwa 30 bis 300 nm. Undotiertes oder eigenleitendes hydriertes, amorphes Silizium ist gemäß US-PS 40 64 521 tatsächlich schwach N-leitend. Auf die Zone 38b wird die daran angrenzende, aus N⁺-leitendem, hydriertem amorphem Silizium bestehende Zone 38c mit einer Dicke von etwa 10 bis 40 nm niedergeschlagen. Die vorgenannten bevorzugten Werte für die Schichtdicken der P⁺- und N⁺-lei­ tenden amorphen Siliziumschichten gelten für Materialien mit Dotierstoffkonzentrationen von 0,1% B₂H₆ in SiH₄ bzw. 0,2% PH₃ in SiH₄. Durch die Dotierstoffkonzentration kann die optimale Schichtdicke beeinflußt werden.

Auf die Rückseite der der Sonnenstrahlung 100 zugewandten ersten Aktivschicht 38 wird eine zweite Aktivschicht 42 aufgebracht. Diese besteht aus voneinander abweichenden Leitungstyp aufweisenden Zonen 42a, 42b und 42c aus hydriertem amorphem Silizium. Die Zone 42 a ist ähnlich wie die Zone 38a und enthält einen geeigneten P-Dotierstoff. Die Zone 42b ist ähnlich der Zone 38b, während die Zone 42c genauso der Zone 38c entspricht. Die Zonen 42a, 42b und 42c können bei höherer Temperatur als die Aktivschicht 38 niederge­ schlagen werden, um eine Schicht mit geringerer Wasserstoff­ konzentration und geringerer Bandlückenenergie zu erzeugen. Die Dicke der zweiten Aktivschicht 42 soll so eingestellt werden, daß der durch diese Schicht erzeugte Strom demjenigen der ersten Aktivschicht 38 in etwa gleicht, da der Gesamt­ strom der Solarzelle auf den niedrigeren Strom der Aktiv­ schichten 38 und 42 beschränkt ist.

Die Solarzelle 20 kann auch mehr als zwei Aktivschichten enthalten. Jedes Paar aneinandergrenzender Aktivschichten wird dabei durch Tunnelübergänge oder eine Zellenverbindungsschicht getrennt. Vorzugsweise besitzt die Solarzelle 20 zwei bis fünf Aktivschichten, wobei jede Aktiv­ schicht von jeder Nachbarschicht durch einen Tunnelübergang oder eine als Tunnelübergang wirkende Zellenverbindungsschicht getrennt wird.

Eine solche Zellenverbindungsschicht 40 befindet sich zwischen den halbleitenden Aktivschichten 38 und 42. Die Zellenver­ bindungsschicht 40 bildet einen einzigen elektrischen Weg durch die erste Aktivschicht 38 und die zweite Aktivschicht 42 zu einem Rückenkontakt 44. Material und Aufbau der Zellen­ verbindungsschicht 40 werden so ausgewählt, daß in der Aktiv­ zone 38 nichtabsorbierte Sonnenstrahlung zur zweiten Aktiv­ schicht 42 und gegebenenfalls zu weiteren Aktivschichten durchgelassen wird, wo jeweils zusätzliche Teile der Strahlung absorbiert werden können.

Die Zellenverbindungsschicht 40 hat eine Dicke von etwa 2 bis 15 nm und kann aus einer PtSiO₂-Metallkeramik, aus einer dünnen Metallschicht und einer PtSiO₂-Metallschicht oder aus einer dünnen Metallschicht bestehen. Für die Metallschicht kommen Metalle wie Platin, Titan, Nickel und ähnliche für Sonnenstrahlung durchlässige Materialien in Frage. Wenn eine dünne Metallschicht ohne Metallkeramik benutzt wird, ist es zweckmäßig, ein Metall mit hoher Austrittsarbeit, wie Platin, zu verwenden. Die Leistungsfähigkeit einer Tandem-Übergang- Solarzelle 20 wird verschlechtert, wenn die Zellenverbindungs­ schicht einen Isolator bildet, auch wenn ein solcher Isolator dünn genug zum Durchtunneln von Elektronen gemacht werden kann. Die Zellenverbindungsschicht 40 wirkt wie ein Tunnelübergang zwischen den Aktivzonen 38 und 42.

Die Zellenverbindungsschicht 40 kann wegfallen, wenn die an­ grenzenden Zonen 38c und 40a hoch genug P- bzw. N-dotiert sind, um zwischen sich einen Tunnelübergang zu bilden.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Licht in elektrische Energie erreicht bei einer hydrierten, amorphen Silizium­ zelle vorgenannter Struktur einen konstanten Wert, wenn die eigenleitende Zone etwa 500 nm dick ist. In einer Tandem- Anordnung führt jede Dickenzunahme der eigenleitenden Zone nur zu verstärkter Absorption von Sonnenstrahlung, ohne die Zellenleistung zu vergrößern, derart daß durch Dickenver­ mehrung lediglich Sonnenstrahlung von den nachfolgenden Schichten abgeschirmt wird. Die Schichtdicke jeder eigen­ leitenden Zone sollte daher dünner gemacht werden, wenn die Zahl der übereinanderliegenden hydrierten, amorphen Siliziumschichten zunimmt. Außerdem sollte jede auf die bestrahlte eigenleitende Zone folgende eigenleitende Zone dicker sein als die vorhergehende.

Auf die Rückseite der Zone 42c wird mit gutem elektrischem Kontakt der aus Titan, Molybdän, Niob o. ä. bestehender Rückenkontakt 44 festhaftend niedergeschlagen. Der Rückenkontakt 44 wird zum Verschalten der Solar­ zelle 20 mit dem als Substrat der Solarzelle 21 dienen­ den TLO-Streifen 34 der Solarzelle 21 mit Hilfe einer aus Indium, Zinn o. ä. bestehenden Zellen-Verkettungs­ schicht 46 ohmisch kontaktiert. Zum Abziehen des in der Sonnenbatterie 10 bei Einwirkung der Sonnenstrahlung 100 erzeugten Stroms dienen die Schichten 34 und 46 kontak­ tierende Drähte 52 bzw. 54.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Solarzellen 20, 21 und 22 in Reihe geschaltet. Bei der Reihenschaltung bleibt der Strom konstant, während die Spannung der Zellen addiert wird. Es kann daher eine Solarbatterie mit jeder für die jeweilige Anwendung gewünschten Spannung hergestellt werden. Die Zellenver­ bindungsschicht 46 kann so dünn gemacht werden, daß sie nur 0,5% der gesamten zu bestrahlenden Bauelement- Oberfläche einnimmt.

Bei Solarzellen aus einkristallinem Material könnte die Schicht 46 zwar Schwierigkeiten im Hinblick auf einen eventuellen Kurzschluß der Zellenstruktur 20 bereiten, bei Verwendung von amorphem Silizium bestehen in dieser Hinsicht aber keine Probleme, da die Querleitfähigkeit der entsprechenden Dotierschichten für die Praxis als nicht vorhanden anzusehen ist, d. h. die Querleitfähigkeit der amorphen Halbleiterschichten entspricht derjenigen eines Isolators mit einem spezifischen Querflächen-Widerstand von mehr als etwa 10¹⁰ Ohm/Quadrat.

Bei der Herstellung der Solarbatterie 10 wird die maximale Breite der Deckelektroden bzw. der Solarzellen 20, 21 und 22 durch den Flächenwiderstand der TLO-Schicht, den Kurz­ schlußstrom J_sc der einzelnen übereinanderliegenden Solar­ zellen-Streifen und einen Faktor bestimmt, der ein Maß für den ohne eine (abschirmende) Gitterelektrode akzeptablen Energieverlust jeder Zelle angibt. Eine Gitterelektrode wird nötig, wenn der Energieverlust-Faktor ohne eine solche Elektrode größer als etwa 0,05 bis 5% würde. Erfindungsge­ mäß soll die Breite der Deckelektroden oder Streifen 34 bzw. Solarzellen 20, 21 und 22 auf den größten Wert einge­ stellt werden, der unterhalb des Wertes liegt, bei dem zum Abziehen des bei Betrieb der Solarbatterie erzeugten Stro­ mes eine Gitterelektrode erforderlich wird. Die maximale Streifenbreite wird mit fol­ gender Formel bestimmt:

In dieser Formel bedeuten V_oc die Gesamt-Leerlaufspannung der Solarbatterie, R den Flächenwiderstand der der Sonnen­ strahlung zugewandten Elektrode, F den Füllfaktor (maxima­ ler Leistungsausgang/Leerlaufspannung×Kurzschlußstrom), J_sc die Kurzschlußstromdichte, N die Zahl der Streifen der Solarbatterie und f den auf den prozentualen Energieverlust infolge von Widerstandserwärmung in der Deckelektrode bezogenen Faktor. Der Faktor f beträgt gewöhnlich etwa 0,01 bis etwa 0,08 und liegt vorzugsweise bei etwa 0,05. Zum Bestimmen der Breite wird vorausgesetzt, daß nur die Deckelektrode (in der Zeichnung die Streifen 34) strom­ begrenzend ist, weil die Rückenelektrode 44 so dick gemacht werden kann, daß der Flächenwiderstand unbeachtlich ist.

Beispielsweise bei J_sc=3 mA/cm², N=9, R=100 Ohm/ Quadrat, V_oc=12,5 Volt, F=0,6 und f=0,05 wird die Einzelzelle W=0,65 cm breit. Bei einer mit Hilfe der photolithographischen Technik ohne weiteres darzustellenden Spaltbreite von 0,005 cm beträgt dann der insgesamt nicht ausgenutzte Bereich der Solarbatterie etwa 0,7% der Gesamt­ fläche der Solarbatterie. Das ist ein um mehr als eine Größenordnung besseres Ergebnis als es bei Solarzellen mit zum Stromsammeln verwendeter Gitterelektrode möglich ist. Wie sich aus der vorgenannten Formel ergibt, kann die Streifenbreite W der Einzelzellen ohne Beeinträchti­ gung der Gesamtleistung der Solarbatterie in dem Maße vergrößert werden, wie der Widerstand der Deckelektrode abnimmt. Entsprechend wird dann bei konstant gehaltener Streifenbreite die Leistungsfähigkeit der Solarbatterie verbessert.

Die Solarbatterie kann nach mehreren Ver­ fahren hergestellt werden. Das Substrat wird durch Auf­ dampfen oder nach anderen bekannten Verfahren, wie Auf­ sprühen oder Pyrolyse von anorganischen oder organometal­ lischen Verbindungen, mit einer TLO-Schicht bedeckt. Ein mit Indiumzinnoxid beschichtetes TLO-Glas kann auch in vorfabrizierter Form im Handel bezogen werden.

Das TLO wird mit einem positiven Photolack bedeckt. Der Photolack wird aufgeschleudert, getrocknet und durch eine Photomaske belichtet, um die zwischen den Streifen vorge­ sehenen Nuten zu begrenzen. Das Bauelement wird dann in eine zum Ausrichten der Maske geeignete Vorrichtung ge­ setzt, mit Hilfe derer das Bauelement in x-y- und z-Rich­ tung bewegt und auch um die senkrecht zur Ebene der Probe stehende geometrische Achse gedreht werden kann. Die Vor­ richtung ist bekannt. Das Muster wird dann entwickelt und die vorgesehenen Nuten werden in die TLO-Schicht einge­ ätzt, z. B. im Falle von Indiumzinnoxid bei 35°C mit 55- bis 58%igem Jodwasserstoff.

Anschließend wird die Metallkeramikschicht nach den Vor­ schriften gemäß der vorgenannten US-PS 41 67 015 herge­ stellt. Die TLO-Schicht und die Metallkeramik-Schicht können so gebildet werden, daß sie eine Viertel-Wellen­ längen-Antireflexionsschicht, z. B. mit 60 nm TLO und 10 nm Metallkeramik, darstellen.

Die hydrierten, amorphen Siliziumschichten 38 und 42 wer­ den durch Glimmentladung von Silan oder einer anderen Si­ lizium und Wasserstoff enthaltende Atmosphäre gemäß US-PS 40 64 521 und DE-OS 27 43 141 auf die jeweils darunter­ liegende Schicht niedergeschlagen. Die Schichten 38 und 42 können auch mit Hilfe eines Hochfrequenz-Systems, des­ sen Elektroden oder Spulen sich in der Reaktionskammer befinden, niedergeschlagen werden. Eine geeignete Parame­ ter-Kombination für die Hochfrequenz-Entladung sind eine Hochfrequenz-Energie von etwa 0,5 W/cm² oder weniger, ein Target mit einer Fläche von etwa 160 cm², ein Gasdruck von etwa 20 bis 70 Mikrobar, eine Silan-Durchflußgeschwindigkeit von etwa 30 cm³/Minute bei Normalbedingungen und eine System-Tem­ peratur von etwa 200 bis 350°C. Die P-Zone der Schichten 38 und 42 wird hergestellt, indem dem Silan eine entspre­ chende P-Dotierstoff-Konzentration von Bor oder einem an­ deren P-Dotiermittel in einem Betrag von etwa 0,01 bis 1% in bezug auf das Silan-Volumen hinzugefügt wird. Die je­ weilige N⁺-Zone wird unter Anwendung einer N-Dotierstoff- Konzentration von beispielsweise PH₃ mit etwa 0,1 bis 1% der Reaktionsatmosphäre gebildet. Nach dem Niederschlagen der Aktivzonen wird die Rückenelektrode 44 durch Auf­ dampfen, Hochfrequenz-Sprühen oder auf andere Weise auf die letzte vorhergehende Schicht aufgebracht.

Nach dem Anbringen der Rückenelektrode 44 wird die Solar­ batterie mit einem positiven oder negativen Photolack be­ deckt. Die einzelnen Zellen werden durch Belichten der Photolack-Oberfläche durch eine positive oder negative Photomaske und durch Entwickeln des Photolacks nach be­ kanntem Verfahren begrenzt. Die Nuten werden dann in die Rückenelektrode mit Hilfe eines jeweils passenden Ätzmit­ tels, z. B. bei einer Titan-Elektrode mit Hilfe einer Lö­ sung aus einem Teil HF, 2 Teilen HNO₃ und 7 Teilen H₂O, eingeätzt. Der Photolack wird dann abgestreift und eine neue Photolackschicht aufgebracht, belichtet und wie an­ gegeben entwickelt.

Die Aktivschichten und die Metallkeramik werden bis her­ unter zur TLO-Schicht mit Hilfe einer Plasmaätzung in einer CF₄-4% O₂-Atmosphäre heruntergeätzt. Die Plasma-Ät­ zung verläuft in den Aktivzonen sehr schnell, geht aber in der Metallkeramik nur langsam, mit etwa 10 nm/Minute, voran. Wenn der Metallkeramik-Film dicker als etwa 10 nm ist, kann die Metallkeramik-Schicht auch mit Hilfe eines reaktiven Hochfrequenz-Sprüh-Ätz-Verfahrens in einer CF₄- O₂- oder Ar-CF₄-O₂-Atmosphäre ausgeführt werden. Das Ende der Ätzung wird normalerweise bestimmt durch das Erschei­ nen klar transparenter Nuten unten an der TLO-Schicht.

Schließlich wird der Photolack entfernt und die Bauele­ ment-Oberfläche wird plasmageätzt, um alle Spuren organi­ scher Moleküle vor dem Aufbringen der als Reihenkontakt dienenden Zellenverkettungsschicht zu entfernen. Diese Verkettungsschicht wird zwischen die Nuten schräg aufgedampft, d. h. unter einem Winkel von etwa 45° mit Bezug auf die senkrecht zu den Nuten verlaufende Oberfläche, und aus einer solchen Richtung aufgedampft, daß die Rückenelektrode der Solarzelle 20 mit der TLO- Schicht bzw. dem Streifen 34 der Zelle 21 verbunden wird. Die Verkettungsschicht kann auch durch Aufdampfen der Schicht auf die gesamte Oberfläche der Solarbatterie erzeugt werden, wenn anschließend das überschüssige Material entfernt wird und die Nuten z. B. nach dem vorhergehend beschriebenen Verfahren gebildet werden. Nach dem Abstreifen des Photolacks und dem Anbringen der Anschlußdrähte 52 und 54 kann die Rückseite der Solarzelle mit einem hierfür vorgesehenen Material eingekapselt werden.

Anhand eines Herstellungsbeispiels wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Beispiel

Ein Kronglas-Substrat von 7,6×7,6 cm² und etwa 0,16 cm Dicke mit einer einen Flächenwiderstand von etwa 10 Ohm/Quadrat aufweisenden Indiumzinnoxid-Deckschicht wurde mit einem positiven Photolack durch Aufschleudern mit 4000 Umdrehungen pro Minute während einer Zeitdauer von 30 Sekunden bedeckt; die aufgetragene Photolackschicht wurde während einer Zeitdauer von etwa 1 Stunde bei einer Temperatur von etwa 75°C getrocknet. Der Photolack wurde durch eine neun Streifen von 7,6 cm Länge und 0,68 cm Breite begrenzenden Photomaske belichtet. Der Photolack wurde in einem Entwickler entwickelt, und der den Bereich zwischen den vorgenannten Streifen begrenzende lösbare Teil des Photolacks wurde entfernt. Das freigelegte Substrat wurde dann in eine 55- bis 58%ige Jodwasserstoff-Lösung von 35°C getaucht, um das freigelegte Indiumzinnoxid zu ent­ fernen. Es bleiben mit Photolack bedeckte Streifen aus Indiumzinnoxid mit einer Länge von 7,6 cm und einer Breite von 0,68 cm zurück. Der restliche Photolack wurde von den Indiumzinnoxid-Streifen entfernt, und es wurde eine PtSiO₂-Metallkeramik mit einem Metallgehalt von etwa 12 Vol.-% Platin bis zu einer Dicke von etwa 23,5 nm durch Hochfrequenz-Sprühen auf das Substrat niedergeschlagen. Auf die PtSiO₂-Metallkeramik wurde dann einen halbleitende Aktivschicht aus hydriertem, amorphem Silizium mit einer P⁺-Zone von etwa 31,8 nm Dicke, einer undotierten Zone von etwa 181,6 nm Dicke und einer N⁺-Zone mit etwa 90,8 nm Dicke aufgebracht. Die hydrierte, amorphe Silizi­ umschicht wurde durch kapazitive Hochfrequenz-Glimmentla­ dung in Silan für den Fall der undotierten Schicht und Diboran-Gas mit einer Konzentration von etwa 0,1 Vol.-% für die P⁺-Zone bzw. PH₃-Gas in einer Konzentration von etwa 0,2 Vol.-% bei der N⁺-Zone jeweils bezogen auf die Silan-Menge hergestellt.

Auf die erste Aktivschicht wurde dann eine zweite PtSiO₂- Metallkeramik-Schicht mit einer Dicke von etwa 10,5 nm und einer Platin-Konzentration von etwa 12 Vol.-% durch Hochfrequenz-Aufsprühen niedergeschlagen. Anschließend wurde eine zweite halbleitende Aktivschicht auf die zweite Metallkeramik-Schicht aufgebracht. Die zweite Halbleiterschicht wurde in Übereinstimmung mit dem für die erste Schicht beschriebenen Verfahren gebildet und erhielt eine P⁺-Zone mit einer Dicke von etwa 31,8 nm, eine an die P⁺-Zone angrenzende eigenleitende Zone von etwa 363,2 nm und eine an die eigenleitende Zone angren­ zende N⁺-Zone von etwa 90,8 nm Dicke. Eine Rückenelek­ trode aus Titan von 200 nm Dicke wurde durch Aufsprühen auf die N⁺-Zone der zweiten halbleitenden Aktivschicht niedergeschlagen.

Anschließend wurde das Bauelement mit positiven Photo­ lacken beschichtet und durch eine Photomaske belichtet, um ein den in der Indiumzinnoxid-Schicht gebildeten Streifen ähnliches Muster zu erzeugen, das aber gegenüber den Nuten in der Indiumzinnoxid-Schicht so versetzt ist, daß die Indiumzinnoxid-Schichten in die Reihenschaltung der Solarzellenstreifen einzubeziehen ist. Der freigelegte Photolack wurde entwickelt und der die Nuten begrenzende lösliche Teil des Photolacks durch eine Lösungsmittelbehandlung abgetragen. Die Struktur wurde dann in einer Lösung aus einem Teil Flußsäure, zwei Teilen HNO₃ und 7 Teilen Wasser geätzt, um die für die Nuten im Bauelement vorgesehenen Teile der Titan-Rücken­ elektrode wegzuätzen. Der Photolack wurde daraufhin mit Hilfe von Aceton abgestreift, eine weitere Photolack-Be­ schichtung aufgebracht und ebenso ausgerichtet wie die vorhergehende Photolackschicht entwickelt. Das Bauelement wurde in eine Plasma-Ätz-Apparatur gesetzt, und die un­ terhalb des bereits entfernten Titans befindlichen Teile der Aktivschicht wurden in einer 4% Sauerstoff enthalten­ den CF₄-Atmosphäre geätzt. Die Plasma-Ätzung wurde unter folgenden Bedingungen vorgenommen: Hochfrequenz-Energie von etwa 800 Watt, CF₄-O₂-Druck zwischen 0,6 und 1,4 mbar, Ausgangstemperatur von etwa 25°C und Endtemperatur von höchstens etwa 90°C. Bei diesen Parametern ergab sich eine Ätz-Geschwindigkeit im amorphen Silizium von etwa 200 nm/min. Das Ätzen wird durch die zweite Aktivschicht und die den Tunnelübergang enthaltende Zellenverbindungs­ schicht - im letzteren Falle mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 10 nm/min - bis herunter zur Indiumzinn­ oxid-Schicht fortgesetzt. Das Ende der Ätzung konnte vi­ suell bestimmt werden, da das Substrat mit der Indium­ zinnoxid-Schicht nach dem Abtragen des hydrierten, amor­ phen Siliziums durchsichtig erscheint.

In diesem Stadium des Herstellungsvorgangs wurde das Bauelement mit Hilfe einer Durchleuchtung auf Nadellöcher untersucht. Die Nadellöcher wurden bedeckt.

Die zum Bilden der Reihenschaltung der einzelnen Doppel- oder Mehrfachzellen vorgesehene Zellenverkettungsschicht wurde durch isotropes Aufdampfen von Indium auf die Ti­ tan-Schicht bis zu einer Dicke von etwa 200 nm herge­ stellt.

Anschließend wurde das Bauelement mit einem positiven Photolack beschichtet, und es erfolgte ein Belichten des Photolacks durch eine zum Herstellen eines dritten Satzes von Nuten angrenzend an den zweiten Nutensatz ausgerich­ tete Photomaske. Der Überschuß an Indium wurde anschlie­ ßend durch Ätzen in einer einen Teil konzentrierte HCl, einen Teil 30%iges H₂O₂ und 6 Teilen Wasser (jeweils Vo­ lumen-Teile) enthaltenden Lösung abgetragen. Der verblei­ bende Photolack und das Abdeckmittel der Nadellöcher wur­ den durch Waschen in Aceton, Wasser und entionisiertem Wasser entfernt, und es folgte ein Trocknen der Vorrich­ tung während einer Zeitdauer von etwa 30 Minuten bis zu einer Stunde in einem Ofen bei 100°C.

Kurz- und Nebenschlüsse im Bauelement wurden nach der Lehre der US-PS 41 66 918 entfernt. Schließlich wurden Kontaktdrähte aus flexiblem Kupferdraht mit Hilfe von Silber-Epoxid mit den Endelektroden der Batterie verbun­ den.

Mit Hilfe einer Wolfram-Halogen-Projektorlampe, z. B. ei­ ner Lampe mit 300 Watt und 120 Volt, wurde die Solarbat­ terie mit einem Licht der Intensität "einer Sonne", d. h. mit dem sogenannten A. M. 1 (an einem klaren blauen Tag mit im Zenit stehender Sonne zu erhaltendes Spek­ trum), beleuchtet. Die Solarbatterie lieferte eine Ge­ samt-Leerlaufspannung (V_oc) von etwa 12,6 Volt, einen Füllfaktor (FF) von etwa 0,56 und einen Kurzschlußstrom (J_sc) von etwa 1,82 mA/cm mit einem Gesamt-Wirkungsgrad von etwa 1,42%. Bei Beleuchtung mit einem Licht der In­ tensität A. M. 2 stieg der Wirkungsgrad der Zelle von etwa 1,42 auf etwa 1,45% und der Füllfaktor wurde von etwa 0,56 auf 0,57 erhöht.

Claims (9)

1. Solarbatterie mit einem transparenten, von der zu ab­ sorbierenden Sonnenstrahlung von einer Vorderseite bis zu einer Rückseite zu durchstrahlenden Substrat, bei der sich auf der Rückseite des Substrats mehrere trans­ parente, leitende Oxidstreifen befinden und bei der mehrere Solarzellen-Streifen mit elektrischem Kontakt auf den Oxidstreifen (34) angeordnet und in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Solar­ zellen-Streifen (20, 21, 22) jeweils aus mehreren durch je einen Tunnelübergang (40) voneinander getrenn­ ten und in sich in Zonen (38a bis c, 42a bis c) voneinander abweichenden Leitungstyps unterteilten Halbleiterschichten (38, 42) aus hydriertem, amorphem Silizium bestehen und daß die Breite der Solarzellen-Streifen (34) durch folgende Formel gegeben ist: in der V_oc die gesamte Leerlaufspannung der Solarbat­ terie, J_sc die Kurzschlußstromdichte, F der Füllfak­ tor, R den Flächenwiderstand des transparenten lei­ tenden Oxids, N die Zahl der Solarzellen-Streifen der Batterie und f einen Wert von etwa 0,01 bis etwa 0,08 bedeuten.

2. Solarbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß f etwa 0,05 beträgt.

3. Solarbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus hydriertem, amorphem Silizium gebildeten Halbleiterschichten (38, 42) jeweils aus einer P-leitenden Einfallszone (38a, 42a), einer daran angrenzenden eigenleitenden Zone (38b, 42b) aus amor­ phem Silizium und einer an letztere angrenzenden N⁺- Zone (38c, 42c) bestehen.

4. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang (40) zwischen der N⁺-Zone (38c) der dem auffallenden Licht zugewandten Einfalls-Halbleiterschicht (38) und der P-Zone (42a) der jeweils darauf folgenden Halb­ leiterschicht (42) liegt.

5. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tunnel­ übergang bildende Schicht (40) aus PtSiO₂-Metallkera­ mik besteht und daß zwischen die Metallkeramik und die angrenzende N⁺-Zone (38c) der jeweils dem Licht zuge­ wandten Halbleiterschicht (38) eine transparente Me­ tallschicht eingefügt ist.

6. Solarbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur elektrischen Reihenschaltung von je zwei Solarzellenstreifen (20, 21, 22) eine Me­ tallschicht (46) vorgesehen ist.

7 Solarbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bandabstandsenergie der Halbleiter­ schichten (38, 42) von der der Strahlung zugewandten Halbleiterschicht (38) aus zu den folgenden Halbleiter­ schichten (42) hin jeweils abnimmt.

8. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Tan­ dem-Solarzellen (20, 21, 22) jeweils aus zwei bis fünf je ein Zellenelement darstellenden Halbleiterschichten (38, 42) bestehen.

9. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der eigen­ leitenden Zone (38b, 42b) jeder Halbleiterschicht (38, 42) mit zunehmender Entfernung von der der Strahlung zugewandten Seite zunimmt.