DE3135933A1 - Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
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Description
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle sowie
ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Eine Solarzelle überführt unter Ausnutzung des Sperrschicht-Photoeffektes
in einem Halbleiter Sonnenlicht direkt in Elektrizität. Bei Beleuchtung kann eine Solarzelle
Strom für eine an ihre Klemmen geschaltete elektrische Last liefern. Der maximale Ausgangsstrom wird erhalten, wenn die
Photozelle kurzgeschlossen ist, d.h., es fließt der Kurzschlußstrom
(Icr,). Die maximale Ausgangsspannung wird erhalten,
wenn die Zelle im Leerlauf betrieben wird. Diese Spannung wird als Leerlaufspannung (Voc) bezeichnet. Die
maximale elektrische Ausgangsleistung ist immer kleiner als das Produkt von V__, und lan. Die maximale Ausgangsleistung
wird oft als das Produkt dieser beiden Parameter und eines Faktors ausgedrückt, der kleiner als 1 ist und
als Kurvenfüllfaktor bezeichnet wird. Dieser Kurvenfüllfaktor ist für eine richtig ausgebildete Solarzelle relativ
unabhängig vom Material und vom Zellenaufbau und liegt generell im Bereich von 0,7 bis 0,82. Der Wirkungsgrad der
Zelle ist das Verhältnis der elektrischen Ausgangsleistung zur Leistung des einfallenden Sonnenlichtes.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgab'e zugrunde,
eine Solarzelle anzugeben, die bei der überführung von Sonnenlicht oder einer ionisierenden Strahlung von einer
anderen Quelle in elektrische Energie einen hohen Wirkungs-
3^ grad aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Solarzelle der eingangs genannten Art durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
Eine Substratscheibe aus Halbleitermaterial mit einer oberen
und einer unteren metallischen Kontakelektrode, die mit
der Substratscheibe entweder direkt oder indirekt über
eine Isolationsschicht wenigstens einigen Kontakt haben, und zwei Zonen unterschiedlichen Dotierungstyps in Form
einer unteren, mit der unteren Kontaktelektrode in Kontakt stehenden Zone eines Dotierungstyps und einer oberen, von
der oberen Kontaktelektrode durch eine dünne Isolationsschicht getrennten Zone mit gegenüber dem der unteren Zone
unterschiedlichen Dotierungstyps.
IQ In Weiterbildung der Erfindung ist bei einem Verfahren zur
Herstellung .einer vorstehend definierten Solarzelle vorgesehen,
daß zur Bildung eines pn-tlbergangs eine Schicht eines Dotierungstyps auf ein Halbleitersubstrat eines anderen
Dotierungstyps aufgebracht wird, daß auf die Zelle eine untere Metallelektrode aufgebracht wird, daß auf der
Oberseite der Zelle eine dünne Oxidschicht gebildet wird und daß auf die Oxidschicht eine obere Metallelektrode
aufgebracht wird.
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sowohl hinsichtlich der vorstehend definierten Solarzelle als auch hinsichtlich
des vorstehend definierten Verfahrens sind in entsprechenden Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Zellaufbaues mit pn-übergang;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer typischen MIS-Ze11struktur;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
MINP-Zellstruktur; und
Fig. 4 ein Diagramm von gemessenen Maximal-Leerlaufspannungen
als Punktion des spezifischen Substratwiderstandes für MINP- und MlS-Siliciumsolarzellen.
Weiterhin ist darin die entsprechende Kurve für konve]
gestellt.
gestellt.
für konventionelle diffundierte n+p-Zellen dar-
Gemäß den Pig. 1 bis 3 besitzen die Zellstrukturen ein
Siliciumsubstrat -1 eines Dotierungstyps mit einer Zone'3
eines anderen Dotierungstyps (in Fig. 2 nicht dargestellt) eine dünne Isolationsschicht 4 (in Fig. 1 nicht vorhanden)
eine untere metallische Kontaktelektrode 2 sowie obere metallische Gitterkontaktelektroden 5.
Fig. 4 zeigt einen Vergleich der maximal beobachteten Leerlauf
spannugen für MINP- und MIS-Zellen und die Werte für
"konventionelle" diffundierte Zellen mit pn-übergang sowie die ideale Grenze für all diese Zellentypen auf der
Basis einer einfachen Diffusionstheorie.
Sowohl MINP- als auch MIS-Zellen liefern Spannungen, die gegenüber denjenigen von diffundierten Zellen mit pn-übergängen
näher an der Grenze liegen, wobei die MINP-Zelle
eine Spannung von 678mV liefert. Dabei scheint es sich gegenwärtig vielleicht um den höchsten, für irgendeine
Siliciumzelle gemessenen Wert zu handeln. Die im Rahmen der Erfindung gemessenen Spannungen wurden durch das Solar
Energy Research Institut (SERI), Colarado, USA, bestätigt.
Bei der heute gebräuchlichsten Solarzellenstruktur ist ein pn-übergang zwischen zwei Zonen eines Halbleiters vorhanden.
Diese beiden Zonen unterscheiden sich dadurch, daß in ihnen jeweils eine unterschiedliche Klasse von Dotierungsmaterialien
dominierend ist. Das dominierende Dotierungsmaterial
3^ führt zu elektronischen Eigenschaften, welche als p-Typ
bsw. η-Typ bekannt sind. Dieser Zellentyp wird gewöhnlich als Zelle mit pn-übergang bezeichnet. Ein typisches Bei-
spiel ist in Fig. 1 dargestellt. Sowohl die n- als auch
p-Zone ist jeweils mit einer metallischen Kontaktelektrode versehen. Für das typische Beispiel gemäß Fig. 1 besitzt
der Kontakt auf der Seite der Zelle, der dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, eine intermittierende Gitterstruktur,
um Licht in den Zellenkörper durchzulassen.
Ein zweiter Zellentyp mit gegenüber einer Zelle mit pnübergang vorteilhaften Eigenschaften ist die bekannte
Metall-Isoiator-Halbleiter (MIS)-Gitterzelle. Bei einer der-
artigen Zelle wird eine dünne Isolationsschicht (< A)'
auf der Oberseite eines Halbleitersubstrats abgeschieden oder aufgewachsen. Während der elektrische Kontakt für
die Unterseite des Substrates in gleicher Weise durchge- £>
führt wird} wie dies für die Zelle mit pn-übergang gemäß
Fig. 2 der Fall ist, ist die Situation für den oberen Kontakt anders. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung be-.
sitzt die obere metallische Elektrode wiederum eine gitterähnliche Struktur, wie dies für Zellen mit pn-übergang der
Fall ist. Bei einer MIS-Zelle dient eine derartige Kontaktelektrode
jedoch zu zwei Zwecken. Sie bildet nicht nur einen elektrischen Kontakt sondern auch einen gleichrichtenden
Übergang, wodurch die Notwendigkeit für einen pn-übergang entfällt. Dabei sind jedoch höhere Anforderungen
an sie zu stellen. Sie muß einen extrem effektiven Wert der Austrittsarbeit besitzen. Für p-Substrate ist
. ■ eine kleine effektive Austrittsarbeit erforderlich, während für η-Substrate eine große effektive Austrittsarbeit
erforderlich ist. In der Anordnung nach Fig. 2 muß der Ab-
stand zwischen den oberen Gitterkontaktelementen kleiner sein, als dies bei einer Zelle mit pn-übergang der Fall
ist. Die Anordnung ist empfindlicher gegen elektrostatische Einflüsse als Zellen mit pn-übergang, was ein Nachteil
ist. Sie besitzt jedoch wesentlich bessere Betriebseigenschaften.
Eine erfindungsgemäße Solarzelle wird in Verbindung mit den beiden vorstehend beschriebenen Anordnungen erläutert.
Die erfindungsgemäße Zelle enthält Elemente von beiden vorgenannten Zellstrukturen, wodurch sich eine Anordnung er-V
gibt/ die gegenüber beiden Anordnungen vorteilhaft ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßeh Zelle ist in Fig. 3 dargestellt.
Diese Zelle enthält einen pn-übergang entsprechend einer Zelle mit pn-übergang. Aufgrund des andersartigen
Aufbaues sind jedoch die Anforderungen an den
2Q pn-übergang, insbesondere hinsichtlich der minimalen Anzahl
von Dotierungsatomen in der dünneren Zone der beiden ■ Zonen des pn-übergangs geringer. Auf der Oberseite der dünneren
dieser Zonen ist eine Metall-Isolator-Halbleiter-' Struktur vorgesehen. Die effektive Austrittsarbeit des verwendeten
Metalls sollte klein sein, wenn die dünnere der Zonen des pn-übergangs η-leitend ist. Ist diese Zone pleitend,
so sollte die Austrittsarbeit groß sein.Die. Austrittsarbeit dieser Schicht braucht jedoch nicht so extrem
zu sein, wie dies bei der MIS-Struktur der Fall ist.
Auch brauchen die Gitterlinien nicht so fein zu sein. Eine derartige Anordnung wird als MINP (Metall Isolator-np-Übergang)-Solarzelle'bezeichnet.
Sie ist gegen elektrostatische Einflüsse nicht so empfindlich wie die MIS-Gitterzel-Ie,
wobei Betriebsvorteile sowohl gegenüber der MlS-Zelle
als auch gegenüber der Zelle mit pn-übergang vorhanden sind.
Der Betriebsvorteil gegenüber Zellen mit pn-übergang liegt in einer besseren Steuerung der elektronischen Eigenschaften der dünneren Zone der Zonen des pn-Ubergangs, da die
Anforderungen an diese Zone, wie oben erwähnt, geringer sind. Aus dem gleichen Grund können die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten
längs der Oberfläche zwischen den Linien der oberen Kontaktelektrode besser gesteuert
werden. Da ein oberer MIS-Kontakt verwendet wird,
SS kann darüber hinaus die effektive Rekombi.nationsgeschwindijkeit
unter dem oberen Kontakt weit kleiner als in normalen pn-übergängen gehalten werden. Der Betriebsvorteil
«9 *»·*"*·
W 4 V V 9 «β *
W 4 V V 9 «β *
gegenüber MIS-Gitterzellen ergibt sich aus einer besseren
Steuerung der effektiven Rekombinationsgeschwindigkeiten längs der Oberfläche, was durch das Vorhandensein der
dünnen dotierten Zone nahe der Oberfläche möglich wird. Die verbesserten Betriebseigenschaften ergeben sich dabei
primär in Form einer Erhöhung der Leerlaufspannung der Zellen. Aufgrund ihrer hohen Spannungen sind derartige
Zellen besser .als konventionelle Siliciumzellen und bei bestimmten Äusführungsformen sogar so gut wie komplexere
Gallium-Arsenit-Zellen.
Obwohl die MINP-Struktur komplexer als eine Zelle mit pnübergang
erscheint, ist sie nicht schwieriger herzustellen. In bestimmten Abschnitten der Prozessfolge werden die Prozesszeiten
sogar tatsächlich reduziert.
Solarzellen mit pn-übergang werden normalerweise ausgehend von einem Halbleitersubstrat hergestellt, das vorher entweder
mit einem n-oder einem p-Dotierungsstoff dotiert wurde.
Sodann wird in eine dünne Schicht nahe der Oberfläche entweder durch Diffusion bei hoher Temperatur oder durch
Implantation von ionenhoher Energie und Ausheizung bei mittleren Temperaturen Dotierungsstoff des anderen Leitungstyps
eingebracht. Denn damit wird der pn-übergang gebildet. Eine andere Möglichkeit besteht in dem epitakti-.sehen
Aufwachsen einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial auf dem Substrat mit entsprechender Dotierung. Weitere
Arbeitsschritte sind das Aufbringen von metallischen Kontaktelektroden auf beide Zonen des ph-übergangs und in
manchen Fällen die Abscheidung einer Antireflexschicht von der Oberseite der Zelle zur Reduzierung von Reflektionsverlusten.
Ein bevorzugtes· Verfahren zur Herstellung einer MINP-Solarzelle
umfaßt die gleiche Folge von Verfahrensschritten, wie sie normalerweise zur Bildung des pn-übergangs benutzt
werden. Die dünne Schicht im Bereich der Oberfläche braucht
so dick oder so hoch dotiert zu sein, wie dies für-'Zellen
mit pn-übergang erforderlich ist. Damit kann die Prozesszeit für diesen Prozesschritt speziell bei der Verwendung
von Ionenimplantation wesentlich reduziert werden. Nach der Bildung des pn-übergangs können die Zellen erforderlichenfalls
gereinigt und der Rückkontakt abgeschieden werden. Sodann läßt man auf der Oberseite der Zelle eine dünne
thermische Oxidschicht (etwa 200 A dick) während eines
Prozesschrittes aufwachsen, in dem der Rückkontakt gesintert wird. Sodann wird der obere Kontakt abgeschieden.
Eine Abscheidung im Vakuum durch eine Metallmaske hat sich als zweckmäßiges Verfahren für diese Abscheidung erwiesen,
obwohl auch andere Verfahrenstechniken möglich sind. Sodann wird eine Antireflexschicht abgeschieden, wonach die Anordnung
bei einer geringen Temperatur gesintert werden kann.
Unter Ausnutzung dieser bevorzugten Verfahrenssequenz wurden
Prototypen hergestellt, wobei als gebräuchlichstes Halbleitermaterial für Solarzellen Silicium Verwendung findet.
Ausgehend von mit bohrdotierten p-leitenden Einkristallinensiliciumsubstraten
wurde an der Oberfläche des Siliciums entweder durch Diffusion bei hoher Temperatur von Phosphor
unter Ausnutzung einer POCl3-QUeIIe oder Implantation von
Phosphor-Ionen eine dünne Schicht mit η-leitenden Eigenschäften
gebildet. Die Gesamtzahl von eingebrachten Phosphor-Dotierungsatomen war kleiner als bei der Herstellung
von konventionellen Zellen mit pn-übergang. Die implantierten Zellen wurden zur Kompensation von Strahlungsschaden
sowie zur Aktivierung der implantierten Ionen Wärmebehandlungen unterworfen. Nach einer chemischen Reinigung wurde
durch Verdampfung im Vakuum ein Rückkontakt aus Aluminium
abgeschieden, wonach die Anordnungen bei 550°C gesintert wurden. Dieser Schritt verbessert sowohl den elektrischen
Kontakt als auch die Bildung der dünnen Oxidschicht mit den gewünschten Eigenschaften. Eine Metallschicht mit kleiner Austrittsarbeit (beispielsweise Al,
I- Ti, Mg) wurde sodann auf der Oberseite der Zelle durch
eine Metallmaske abgeschieden, um das obere Kontaktgitter zu bilden. Schließlich wurde eine Antireflexschicht aus
Siliciummonoxid abgeschieden. Nach diesem Herstellungsprozess konnte durch eine Elektronenmikroskopie hoher Auf-
lösung- eine dünne Oxidschicht von etwa 20 Α-Dicke zwischen
der oberen metallischen Kontaktelektrode und dem Silicium festgestellt werden.
Weitere Metalle mit kleiner Austrittsarbeit für die obere Kontaktelektrode sind Hf, Zr, In, Y, Mn, Sc, Ca, viele
Metalle der seltenen Erden und einige Transurane. Die · obere metallische Kontaktelektrode kann auch durch ein
Material mit metallischen Eigenschaften, wie beispielsweise
durch bis in die Entartung dotierte Halbleitermaterialien gebildet werden.
Auf diese Weise hergestellte Anordnungen zeigen ausgezeichnet gute Betriebseigenschaften. Obwohl eine weitere
Optimierung möglich ist und weitere Betriebsverbesserungen zu erwarten sind, besitzen bisher vorhandene Ausführungsformen
der MINP-Anordnungen Leerlaufspannungen bis zu
678mV unter Standard-Testbedingungen (Sonnenlicht im luftfreien
Raum, 25°C) gemessen. Dies ist der höchste jemals für eine Einkristalline oder Polykristallinesilicium-Solarzelle
angegebene Wert. Dieser Vorteil der Leerlaufspannung
überträgt sich direkt in den Wirkungsgrad der Energieumwandlung, wie dies oben beschrieben wurde. Für die hier
beschriebenen Zellen wurden unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen
unabhängig Energieumwändlungs-Wirkungsgrade von 16% gemessen.
Leerseite
Claims (7)
- Patentanwälte DiPLv&N&.°H.°W^i.G^M!A*fN5"DiPL.-PHYs. Dr. K. FinckeDipl.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska8000 MÜNCHEN 86, DEN 10, $Qp,POSTFACH 860 820 DXIIIA MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/2229922Lünisearch Limited221-227 Anzac ParadeKensington, New South Wales, AustralienSolarzelle und Verfahren zu ihrer HerstellungPatentansprücheSolarzelle, gekennzeichnet durch eine Substratscheibe (1) aus Halbleitermaterial mit einer oberen und einer unteren metallischen Kontaktelektrode (2, 5), die mit. der Substratscheibe (1) entweder direkt oder indirekt· über eine Isolationsschicht (4) wenigstens einigen Kontakt haben, und durch zwei Zonen (1, 3) unterschiedlichen Dotierungstyps in Form einer unteren, mit der unteren Kontakteleketrode (2) in Kontakt stehenden Zone (1) eines Dotierungstyps und einer oberen, von der oberen Kontaktelektrode (5) durch eine dünne Isolationsschicht (4) getrennten Zone (3) mit gegenüber dem der unteren Zone (1) unterschiedlichen Dotierungstyp.
- 2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie untere Zone (1) der Substratscheibe p-dotiert und die obere Zone (3) η-dotiert ist*
- 3. Solarzelle, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere.Zone (1) der Substratscheibe η-dotiert und die obere Zone (3) p-dotiert ist.
- 4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere metallische Kontaktelektrode (5) aus einem Metall der Gruppe (Al, Ti, Mg, Hf, Zr, In, Y, Mn,"Sc und Ca gebildet ist.
- 5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine obere Antireflexschicht.
- 6. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines pn-übergangs eine Schicht (3) eines Dotierungstyps auf ein Halbleitersubstrat (1) eines anderen Dotierungstyps aufgebracht wird, daß auf die Zelle eine untere Metallelektrode (2) aufgebracht wird, daß auf der Oberseite der Zelle eine dünne Oxidschicht (4) gebildet wird und daß auf die Oxidschicht (4) eine obere Metallelektrode (5) aufgebracht wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die'Oberseite der Zelle eine Antireflexschicht aufgebracht wird.
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