DE3211144A1 - Fotozelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Fotozelle und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3211144A1 DE19823211144 DE3211144A DE3211144A1 DE 3211144 A1 DE3211144 A1 DE 3211144A1 DE 19823211144 DE19823211144 DE 19823211144 DE 3211144 A DE3211144 A DE 3211144A DE 3211144 A1 DE3211144 A1 DE 3211144A1
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Description

  • Fotozelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
  • Die Erfindung betrifft eine Fotozelle, bestehend aus einer Halbleiterschicht, die eine für den Lichteinfall freie Oberfläche hat und die von elektrisch voneinander isolierten metallischen Leitern für den Anschluß an einen Verbraucher kontaktiert wird.
  • Bei einer bekannten Fotozelle dieser Art besteht die Halbleiterschicht aus einer dünnen Scheibe,z.B. aus Silizium, auf deren für den Lichteinfall freien Oberfläche eine sehr dünne, lichtdurchlässige, den einen Leiter bildende Metallschicht, z.B. aus Gold angeordnet ist und auf deren Rückseite eine den anderen Leiter bildenden Metallschicht sich befindet. Bei einer anderen ähnlichen Fotozelle sind anstel'e der dünnen Metallschicht mehrere verteilt angeordnete Kontaktfinger vorgesehen. Beide Fotozellen sind schwierig herzustellen, wegen der Siliziumscheiben nicht flexibel sondern spröde und vor allem nicht besonders leistungsfähig. Bei einer Fotozelle mit einer auf der für den Lichteinfall freien Oberfläche aufgebrachten dünnen Goldschicht ist der Weg für die Ladungsträger vom alhleiter zur Gold,chicht 7war gering, doch ist Aer onmnhe Widerstand des von der Goldschicht gebildeten Leiters wegen der geringen Dicke dieser Schicht groß. Bei einer Fotozelle mit verteilt angeordneten Kontaktfingern ist der ohmsche Widerstand der Kontaktfinger zwar klein, doch müssen die Ladungsträger von den meisten Stellen des Halbleiters große Wege bis zum nächsten Kontaktfinger zurücklegen, so daß der gesamte ohmsche Widerstand auch in diesem Fall groß ist. Würde man die freie Oberfläche mit mehr Kontaktfingern besetzen, wäre die Ausbeute an Ladungsträgern wegen der stärker abgedeckten freien Oberfläche geringer. Eine Vergrößerung der Leistungsfähigkeit ist mit dieser Maßnahme also auch nicht verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fotozelle zu entwickeln, die leistungsfähiger als die beschriebenen Fotozellen ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Fotozelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Halbleiterschicht aus Pulver besteht, dessen Poren von dem einen metallischen Leiter und einer einseitig auf diesen Leiter aufgebrachten isolierenden Trennschicht ausgefüllt sind, und daß auf der freien Seite der Trennschicht der andere metallische Leiter die freien Flächen der Pulverpartikel und gegebenenfalls die Trennschicht abdeckt.
  • Die erfindungsgeinaße Fotozelle ist leistungsfähiger, weil von jedem Pulverpartikel der Weg zum Leiter klein ist und der Leiter selbst einen großen Querschnitt haben kann. Da nicht von einer Halbleiterscheibe sondern von einem Halbleitermaterial in Pulverform ausgegangen wird, ist die Fotozelle nicht spröde sondern flexibel.
  • Da der erzeugte Strom einer Fotozelle von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt und die Halbleitermaterialien bei verschiedener Wellenlänge unterschiedlich empfindlich sind, läßt sich eine große Bandbreite für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge dadurch erreichen, daß das Pulver aus einem Gemisch von Pulverpartikeln verschiedenen Halbleitermaterials besteht.
  • Vorzugsweise ist die Pulverschicht dicker als die Schicht des einen, in den Poren der Pulverschicht befindlichen Leiters oder des Leiters und der isolierenden Trennschicht. Dabei sollte das Pulver eine möglichst gleichmäßige Körnung haben. Eine geeignete Körnung des Pulvers liegt zwischen 1/u und 200/u.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Fotozelle ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: 1. Auf eine leitende Unterlage wird eine dünne Pulverschicht eines Halbleiters aufgebracht.
  • 2. Die Poren dieser Pulverschicht werden durch Abscheiden eines Metalls für den einen Leiter von der leitenden Unterlage ausgehend bis auf eine Höhe aufgefüllt, die ins' -?sondere kleiner als die Dicke der Pulverschicht ist.
  • 3. Das abgeschiedene Metall zwischen den Pulverpartikeln wird durch eine Isolierschicht ahgedeckt.
  • 4. Auf die von der Isolierschicht freigelassenen oder freigelegten Rückseiten der Pulverpartikel wird der andere Leiter aufgebracht.
  • 5 Durch Entfernen der Unterlage werden die Vorderseiten der Pulverpartikel freigelegt.
  • Die Reihenfolge dieser Schritte kann noch in gewissem Umfange geändert werden. Wenn nämlich in den Poren der Pulverschicht das Metall abgeschieden ist, kann die Unterlage bereits entfernt werden, weil das Metall und die Pulverpartikel einen geschlossenen Verbund ergeben.
  • Dieses vorzeitige Entfernen der Unterlage empfiehlt sich vor allem dann, wenn es wegen des gewählten Halbleitermaterials notwendig ist, dieses zur Herstellung der PN-Übergänge zu dotieren. Das vorzeitige Entfernen der Unterlage empfiehlt sich allerdings nur dann, wenn es für weitere Abdeckungszwecke bei der Herstellung der anderen Schichten nicht erforderlich ist.
  • Um die Unterlage leicht von der fertigen Fotozelle abziehen zu können, empfiehlt es sich, das Metall auf der Passivseite einer insbesondere aus Edelstahl bestehenden Unterlage abzuscheiden. Sofern das abgeschiedene Metall fest an der Unterlage haftet, kann es aber auch auf andere Art und Weise, z.B. durch chemische oder anodische Auflösung, entfernt werden.
  • Sofern sich aie Abscheidungdes porenfüllenden Metalls sich auch auf den Pulverpartikeln eine hauddünne Schicht zwischen der Unterlage und den Metallpartikeln bildet, werden durch das Abziehen der Unterlage die Pulverpartikel nicht völlig freigelegt. Um einen ungehinderten Strahlungseinfall zu erhalten, kann diese hauch dünne Schicht auf einfache Weise durch anodische Abtraoung oder durch einen leichten Beizvorgang entfernt werden.
  • Das Abscheiden des Metalls in den Poren der Pulverschicht erfolgt vorzugsweise galvanisch oder durch Reduktion von Metallsalzlösungen. Die Isolierschicht, insbesondere eine Lackschicht, kann elektrophoretisch aufgebracht werden.
  • Der elektrophoretische Auftrag hat den Vorteil, daß die isolierende Lackschicht praktisch nur den in den Poren abgeschiedenen metallischen Leiter, nicht aber die Kuppen der schwach leitenden Pulverpartikel abdeckt. Deshalb läßt sich anschließend der andere metallische Leiter ohne weitere Zwischenschritte mit dem Halbleiter kontaktieren. Sofern jedoch die in den Poren der Pulverschicht abgeschiedene Metallschicht in ihrer Dicke dem Durchmesser der Pulverpartikel entspricht, ist es vor dem Aufbringen der Isolierschicht erforderlich, das abgeschiedene Metall, z.B. durch Schleifen, so weit abzutragen, daß die Kuppen der Halbleiter wieder freiliegen. In diesem Fall muß dafür Sorge getroffen werden, daß die Isolierschicht sich nur im Bereich der Metallschicht abscheidet, was z.B. durch elektrophoretischen Auftrag geschehen kann. Nur so ist gewährleistet, daß die Kuppen für die anschließende Kontaktierung mit dem anderen metallischen Leiter im wesentlichen frei bleiben.
  • Statt der elektrophoretischen Auftragung der Isolierschicht kann bei Verwendung eines in den Poren abzuscheidenden Metalls, wie Aluminium, die anschließend zu bildende Isolierschicht durch eine anodisierende Behandlung des Aluminiums hergestellt werden.
  • Das Aufbringen des anderen Leiters auf die rückseitigen freien Bereiche der Pulverpartikel erfolgt vorzugsweise durch Aufdampfen von z.B. Kupfer oder durch Reduktion von Metallsalzlösungen.
  • Sofern als Halbleiter Silen verwendet wird, braucht keine Dotierung des Halbleitermaterials zu erfolgen. Bei Verwendung von anderem Halbleitermaterial, z.B.Silizium, ist dagegen eine Dotierung erforderlich. Diese Dotierung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Entweder sind die Siliziumpartikel von Hause aus p-leitend oder sie werden nach dem Abscheiden des Metalls in den Poren der Pulverschicht und vor dem Entfernen der Unterlage mit Fremdatomen, z.B. Bor, dotiert. Von der zu bestrahlenden Seite aus wird die Pulverschicht nach Entfernen der Unterlage mit Fremdatomen, z.B. Phosphor, dotiert.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einer die einzelnen Schritte des Verfahrens darstellenden schematischen Zeichnung erläutert.
  • Auf eine Unterlage (Substrat) aus nichtrostendem Stahl, z.B. CrNi-Stahl, werden Pulverpartikel, z.B. Siliziumpartikel, aufgetragen (Verfahrensstufe 1).
  • Anschließend werden die Halbleiterpartikel durch auf der leitenden Unterlage und in den Zwischenräumen zwischen den Halbleiterpartikeln galvanisch abgeschiedenes, elektrisch leitendes Metall, wie Nickel, fixiert. Die von der Unterlage abgedeckten Oberflächenbereiche bleiben dagegen weitgehend frei. Da die Pulverpartikel natürlich nicht die in der Zeichnung idealisierte halbkugelförmige Gestalt haben und auf der einen Seite flächig von der Unterlage abgedeckt sind, kann sich auf den Partikeln auf der der Unterlage zugewandten Seite eine dünne Haut von Metall abscheiden. Die galvanisch abgeschiedene Nikkelschicht wird vorzugsweise nur bis zu einer Höhe aufgebaut, die unter den Kuppen der Halbleiterpartikel liegt.
  • Sofern sie höher ist und die Halbleiterpartikel ganz einschließt, muß sie anschließend, z.B. durch Abschleifen, so weit abgetragen werden, daß die Pulverpartikel wieder frei liegen (Verfahrensstufe 2).
  • Sofern Halbleitermatrial verwendet wird, das eine Dotierung mit Fremdatomen nicht erfordert, wie z.B. Silen, wird anschließend in jedem Halbleiterpartikel eine Dotierung mit Bor vorgenommen (Verfahrensstufe 3). Die Dotierung mit Bor kann fortfallen, wenn das auf die Unterlage aufgetragene Halbleitermaterial bereits p- oder n-leitend ist, z.B. bordotiertes Silizium verwendet wird.
  • Nach der Abscheidung des Metalls in den Poren der Pulverschicht und nach gegebenenfalls erfolgter Dotierung mit Fremdatomen kann die Unterlage abgezogen werden (Verfahrensstufe 4). Von der so freigelegten Seite aus kann dann die Dotierung der Halbleiterpartikel mit Phosphor erfolgen (Verfahrensstufe 5).
  • Wie bereits erwähnt, kann diese Dotierung wegfallen, wenn Halbleitermaterial, wie Silizium, verwendet wird.
  • Die elektrisch leitende Nickelschicht wird dann durch eine Lackschicht abgedeckt. Das Aufbringen der Lackschicht erfolgt dueh Elektrophorese. Dadurch ist gewährleistet, daß der Lack sich nur auf der besonders gut leitenden Metallschicht absetzt, die Kuppen der Siliziumpartikel aber frei bleiben. Die Dicke dieser Lackschicht richtet sich nach den Isolationseigenschaften 25 Lackes und nach der am Halbleiter anstehenden Spannung (Verfahrensstufe 6).
  • Auf die von der isolierenden Trennschicht und den Partikeln gebildete Rückseite kann anschließend ein metallischer Leiter, wie Kupfer, durch Aufdampfen aufgebracht werden (Verfahrensstufe 7).
  • Sofern die Unterlage wegen der erforderlichen Dotierung mit Fremdatomen nicht schon vorher abgezogen ist, wird sie anschließend abgezogen. Dadurch werden die Oberflächen der Siliziumpartikel freigelegt, so daß Licht ohne Behinderung auf sie einfallen kann. Sofern noch eine dünne Haut von Metall auf diesen Oberflächen sich befindet, kann diese leicht anodisch, durch Atzen, Beizen, Schleifen oder Fräsen abgetragen werden. Schließlich werden an die metallischen Leiterschichten die Anschlüsse angeschlossen (Verfahrensstufe 8).
  • Damit ist der Herstellungsprozeß der Fotozelle abgeschlossen.
  • Eine Fotozelle mit dem erfindungsgemäßen Aufbau zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Fotozellen durch eine größere Leistungsfähigkeit aus. Da jeder Halbleiterpartikel unmittelbar mit den metallischen Leitern kontaktiert ist, entspricht der maximale Weg für die Ladungsträger dem halben Durchmesser eines Partikels, ist also sehr kurz.
  • Der elektrische Widerstand ist entsprechend klein. Der Widerstand wird weiter dadurch herabgesetzt, daß der Querschnitt der metallischen Leiter verhältnismäßg groß ist. Weiter ist von Vorteil, daß bei einem Pulvergemisch aus Halbleiterpartikeln verschiedener Art die Fotozelle für Licht verschiedener Wellenlänge breitbandig ausgelegt sein kann. Schließlich ist von Vorteil, daß die erfindungsgemäße Fotozelle flexibel ist.

Claims (15)

  1. Ansprüche: g. Fotozelle, bestehend aus einer Halbleiterschicht die eine für den Lichteinfall freie Oberfläche hat und die von elektrisch voneinander isolierten metallischen Leitern für den Anschluß an einen Verbraucher kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus- Pulver besteht, dessen Poren von dem einen metallischen Leiter und einer einseitig auf diesen Leiter aufgebrachten isolierenden Trennschicht ausgefüllt sind, und daß auf der freien Seite der Trennschicht der andere metallische Leiter die freien Flächen der Pulverpartikel und gegebenenfalls die Trennschicht abdeckt.
  2. 2. Fotozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus einem Gemisch von Pulverpartikeln verschiedenen Halbleitermaterials besteht.
  3. 3. Fotozelle nach Anspruch 1 ode 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c n n e t daß die Pulverschicht dicker als die Schicht des in den Poren der Pulverschicht befindlichen Leiters oder dieses Leiters und der isolierenden Trennschicht ist.
  4. 4. Fotozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver eine möglichst gleichmäßige Körnung hat.
  5. 5. Fotozelle nach einem derAnsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver eine Körnung von 1/u bis 200#u hat.
  6. 6. Verfahren zum Herstellen einer Fotozelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 1. Auf eine leitende Unterlage wird eine dünne Pulverschicht eines Halbleiters aufgebracht.
    2. Die Poren dieser Pulverschicht werden durch Abscheiden eines Metalls für den einen Leiter, von der leitenden Unterlage ausgehend, bis auf eine Höhe aufgefüllt, die insbesondere kleiner als die Dicke der Pulverschicht ist.
    3. Das abgeschiedene Metall zwischen den Pulverpartikeln wird durch eine Isolierschicht abgedeckt.
    4. Auf die von der Isolierschicht freigelassenen oder freigelegten Rückseiten der Pulverpartikel wird der andere Leiter aufgebracht.
    5. Durch Entfernen der Unterlage werden die Vorderseiten der Pulverpartikel freigelegt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t daß das Abscheiden des Metalls auf der Passivseite der insbesondere aus Edelstahl bestehenden Unterlage erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Entfernen der Unterlage durch deren chemische Auflösung erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden des Metalls in den Poren der Pulverschicht galvanisch oder durch Reduktion von Metallsalzlösungen erfolgt.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere aus Lack bestehende Isolierschicht elektrophoretisch aufgebracht wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines in den Poren abzuscheidenden Metalls, wie Aluminium, die anschließend zu bildende Isolierschicht durch eine anodisierende Behandlung des Metalls hergestellt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des anderen Leiters auf die rückseitigen freien Bereiche der Pulverpartikel durch Aufdampfen von Metallen, insbesondere Kupfer oder durch Reduktion von Metallsalzlösungen erfolgt.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entfernen der Unterlage das auf der freien Seite der Partikel abgeschiedene Metall anodisch abgetragen oder abgeätzt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverschicht nach dem Abscheiden des Metalls in den Poren der Pulverschicht und vor dem Entfernen der Unterlage mit Fremdatomen dotiert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverschicht nach dem Entfernender Unterlage von der dadurch freigelegten Seite aus mit Fremdatomen dotiert wird.
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US3025335A (en) * 1960-02-29 1962-03-13 Hoffman Electronics Corp Flexible solar energy converter panel
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