DE3612085A1 - Solarzelle - Google Patents

Solarzelle

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle gemäß der in den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 be­ schriebenen Art.
Bei einer konventionellen Solarzelle vom pn-Übergangstyp kann eine ohmsche Verbindung zwischen einem Frontkontakt und einer Diffusionsschicht eines Halbleitersubstrats nur schwer hergestellt werden. Der Grund dafür liegt darin, daß ein Antireflexionsbelag aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen dem Frontkontakt und der Diffusionsschicht des Halbleitersubstrats liegt. Das hat zur Folge, daß der Siebfaktor (Fill-Faktor FF) einer Strom-Spannungs-Charakte­ ristik (I-V) vermindert und der Wirkungsgrad der Energie­ umwandlung herabgestzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie eine verbesserte ohmsche Verbindung zwischen einem Frontkontakt und einer Diffusionsschicht eines Halbleitersubstrats sowie einen höheren Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf­ weist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 10 zu entnehmen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachfolgenden Unteransprüchen angegeben.
Eine Solarzelle nach der Erfindung mit einem Halbleiter­ substrat zeichnet sich aus durch eine durch Diffusion aktiver Verunreinigungen im Halbleitersubstrat gebildete Diffusionsschicht, und durch einen auf der Diffusionsschicht gebildeten Kontakt bzw. Frontkontakt, der aus einer Metall­ paste hergestellt ist, die einen als Hauptmaterial dienenden Metallpuder, eine Glasurmasse und ein Element aus der fünften (V) Gruppe des Periodensystems enthält.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Diffusionsschicht ein Antireflexionsbelag gebildet, durch den verhindert wird, daß Licht von der Solarzelle reflektiert wird.
Nach einer anderen sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist der Kontakt bzw. Frontkontakt durch Brennen durch den Antireflexionsbelag hindurch gebildet, um eine hinreichenden ohmsche Verbindung zwischen der Diffusions­ schicht und dem Kontakt bzw. Frontkontakt zu erhalten.
Der Antireflexionsbelag besteht dabei aus einem elektrisch isolierendem Material.
Vorteilhaft ist das Material des Antireflexionsbelags aus der TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, SnO₂ und Si₃N₄ enthaltenen Gruppe ausgewählt.
Eine zusätzliche Menge des Elements der fünften Gruppe bezogen auf die Metallpaste ist aus einem Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis etwa 0,3 Gew.-% ausgewählt. Das Metall­ material ist dabei aus der Ag, Cu und Ni enthaltenen Gruppe ausgewählt.
Vorzugsweise enthält die Metallpaste weiterhin einen organischen Binder und ein Lösungsmittel. Auch kann die Metallpaste mehrere Elemente der fünften Gruppe des Periodensystems enthalten.
Die vorliegende Aufgabe wird auch durch eine Solarzelle mit einem Halbleitersubstrat, in das aktive Verunreinigungen zur Bildung einer pn-Übergangsschicht eindiffundiert sind, und mit einem Frontkontakt aus einer Metallpaste, die einen metallischen Puder als Basismaterial, eine Glasurmasse, einen organischen Binder und ein Lösungsmittel enthält, gelöst, bei der die Metallpaste ein Element der fünften Gruppe des Periodensystems enthält. Insbesondere hat es sich als vorteil­ haft erwiesen, daß das genannte Element Phosphor (P) ist, während andererseits die Metallpaste eine Silber (Ag)-Paste ist.
Entsprechend der Erfindung wird also eine Solarzelle mit einem Halbleitersubstrat erhalten, indem eine Diffusions­ schicht zur Bildung einer pn-Übergangsschicht vorhanden ist, wobei auf der Diffusionsschicht des Halbleitersubstrats ein Frontkontakt (Elektrode) gebildet ist, der aus einer Metallpaste besteht, die einen metallischen Puder, eine Glasurmasse bzw. Glasschmelze und ein Element der fünften Gruppe des periodischen Systems der Elemente enthält. Die Metallpaste kann darüber hinaus auch einen organischen Binder und ein Lösungsmittel aufweisen. Statt eines einzigen Frontkontaktes können auch mehrere Frontkontakte vorhanden sein. Auch können sich mehrere Elemente der fünften Gruppe innerhalb der Metallpaste befinden.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Solarzelle nach der Erfindung, und
Fig. 2 eine Strom-Spannungs-Charakteristik der Solarzelle nach Fig. 1 im Vergleich zu einer konventionellen Solarzelle.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 näher erläutert, die einen Schnitt durch die Solarzelle zeigt. Eine Diffusionsschicht 2 vom n⁺-Typ ist in einem Silizium(Si)- Substrat vom p-Typ durch Diffusion aktiver Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat 1 gebildet worden. Auf der Dif­ fusionsschicht 2 liegt ein Antireflexionsbelag 3, durch den verhindert wird, daß Licht- oder Sonnenstrahlung von der Oberfläche der Solarzelle reflektiert wird. DieserAnti­ reflexionsbelag kann beispielsweise aus SiO₂, TiO₂ oder dergleichen bestehen. Auf dem Halbleitersubstrat 1 liegen Frontkontakte 4, die als negative Kontakte dienen. Die Frontkontakte 4 können auch als Kontaktfinger bezeichnet werden und bilden ein Kontaktgitter. Auf den Frontkontakten 4 befinden sich jeweils Lötschichten 5, um den Serienwider­ stand herabzusetzen und die Betriebszuverlässigkeit der Solarzelle zu erhöhen. An der Rückseite des Halbleiter­ substrats 1 sind Rückkontakte 6 angeordnet, die beispiels­ weise aus einer Aluminium(Al)-Paste bestehen, und die als positive Kontakte dienen (positive Anschlußseite). Statt mehrerer Rückkontakte 6 kann auch nur ein einzigen durch­ gehender Rückkontakt 6 vorhanden sein (Rückkontaktschicht).
Bei der Solarzelle nach Fig. 1 sind in die Oberfläche des Halbleitersubstrats aktive Verunreinigungen bzw. Fremdatome eindiffundiert worden. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise aus einkristallinem Silizium be­ stehen, so daß die pn-Übergangsschicht an der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet wird. Um zu verhindern, daß Licht- oder Sonnenstrahlung durch die Oberfläche der Solarzelle reflektiert wird, befindet sich auf der Ober­ fläche des Halbleitersubstrat ein Antireflexionsbelag aus SiO₂, TiO₂, oder dergleichen. Dieser Antireflexionsbelag 3 liegt also an der Frontseite des Halbleitersubstrats 1. An der Frontseite des Halbleitersubstrats 1 liegen eben­ falls die Frontkontakte 4, die durch eine Metallpaste, beispielsweise durch eine Ag-Paste gebildet sind, welche eine Glasurmasse bzw. Glasschmelze enthält. Die Front­ kontakte 4 können beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß sie zunächst direkt auf den Antireflexions­ belag aufgedruckt und anschließend gebrannt werden. Die Frontkontakte 4 durchdringen dann den Antireflexionsbelag 3, so daß sie letztlich mit der Diffusionsschicht 2 des Halb­ leitersubstrats 1 in Berührung kommen. Auf diese Weise wird eine wirksame ohmsche Verbindung zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusionsschicht 2 des Halbleitersubstrats 1 er­ halten. Der Herstellungsprozeß wird auch als Durchbrenn­ prozeß bezeichnet.
Allerdings ist es auch mit Hilfe dieses Durchbrennprozesses schwierig, eine sehr gute ohmsche Verbindung zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusionsschicht 2 des Halbleiter­ substrats 1 zu erhalten, da der Antireflexionsbelag 3 auf der Diffusionsschicht 2 des Halbleitersubstrats 1 aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, SnO₂, Si₃N₄, und dergleichen, besteht.
Um hier zu noch besseren Ergebnissen zu gelangen bestehen nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Frontkontakte 4 aus einer Metallpaste, die ein Element aus der fünften (V) Gruppe des periodischen Systems ent­ hält. Beispielsweise weist eine Silber(Ag)-Paste einen kleinen Anteil an Phosphor (P) auf, der zur fünften Gruppe des periodischen Systems gehört. Statt des Phosphors kann auch eine Phosphorverbindung innerhalb der Silberpaste vor­ handen sein. Die zusätzliche Menge an Phosphor oder der genannten Phosphorverbindung gegenüber der Ag-Paste kann im Bereich zwischen 0,05 Gew.-% und 0,3 Gew.-% liegen. Die Ag-Paste kann ferner einen organischen Binder, ein Lösungsmittel und ein zusätzliches Mittel zusätzlich zum Phosphor (P) oder zur Phosphorverbindung aufweisen.
Wird der Ag-Paste eine geringe Menge an Phosphor (P) oder einer Phosphorverbindung hinzugesetzt, so brennen die Frontkontakte 4 besser durch den Antireflexionsbelag 3 hindurch und bilden eine sehr gute Verbindung mit der Diffusionsschicht 2 aufgrund eines synergetischen Effektes zwischen der Glasurmasse und dem Phosphor bzw. der Phosphor­ verbindung innerhalb der Ag-Paste, wenn die Ag-Paste ge­ brannt wird. Es wird somit eine sehr gute ohmsche Ver­ bindung zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusions­ schicht 2 innerhalb des Substrats 1 erhalten. Dementsprechend werden der Siebfaktor (Fill-Faktor F.F.) verbessert und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung erhöht.
Wie bereits erwähnt, werden die Frontkontakte 4 derart hergestellt, daß zunächst die Ag-Paste direkt auf den Anti­ reflexionsbelag 3 aufgedruckt wird. Anschließend wird die Ag-Paste gebrannt bzw. sehr hoch erhitzt, so daß die Front­ kontakte 4 durch den Antireflexionsbelag 3 hindurchbrennen und eine gute ohmsche Verbindung zwischen den Front­ kontakten 4 und der Diffusionsschicht 2 des Halbleiter­ substrats 1 entsteht. Als erstes werden Verunreinigungen vom n-Typ , beispielsweise P, bei etwa 950°C in das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ hineindiffundiert, das eine Dicke von etwa 400 µm und einen spezifischen Volumenwider­ stand aufweist, der etwa zwischen 0,5 Ohm-cm und etwa 10,5 Ohm-cm liegt, um eine Diffusionsschicht 2 mit einer Dicke zwischen etwa 0,3 µm und etwa 1,0 µm zu erzeugen.
Anschließend wird auf der Oberfläche der Diffusions­ schicht 2 der Antireflexionsbelag 3 gebildet, der bei­ spielsweise aus TiO₂ besteht und eine Dicke zwischen etwa 70 Nanometer (700 A) und etwa 80 Nanometer (800 A) aufweist. Der Antireflexionsbelag 3 kann beispielsweise durch ein Aufschleuderverfahren (Spin-on-Verfahren), durch ein Eintauchverfahren oder ein Niederschlagsver­ fahren im Vakuum (CVD-Verfahren) gebildet werden. Auf der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ wird eine Al-Paste durch ein Siebdruck- oder Filmdruck- Verfahren aufgebracht und bei etwa 800°C gebrannt. Hier­ durch werden die Rückkontakte 6 erhalten. Die Ag-Paste wird ebenfalls durch Sieb- bzw. Film- oder Schablonen- Druckverfahren auf den Antireflexionsbelag 3 aufgebracht und bei einer Temperatur gebrannt, die zwischen 600°C und etwa 700°C liegt. Auf diese Weise werden die Frontkontakte 4 hergestellt. Um die Betriebszuverlässigkeit der Solarzelle zu verbessern und den Serienwiderstand herabzusetzen, werden die Frontkontakte 4 der Solarzelle mit Lot beschichtet, und zwar mit Hilfe eines Eintauchprozesses, so daß die Lötschichten 5 erhalten werden. Die Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Solarzelle ist damit beendet.
Da die Frontkontakte 4 nach dem Ausführungsbeispiel der Er­ findung aus einer Ag-Paste bestehen, die eine geringe Menge an Phosphor (P) oder einer Phosphorverbindung in der fünften Gruppe des periodischen Systems enthält, wird eine sehr gute ohmsche Verbindung zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusionsschicht 2 des Halbleitersubstrats 1 erhalten, und zwar durch einen synergetischen Effekt zwischen der Glasurmasse bzw. Glasschmelze und dem Phosphor bzw. der Phosphorverbindung innerhalb der Ag-Paste. Der Kontaktwider­ stand der ohmschen Verbindung läßt sich somit erheblich reduzieren. Ferner werden der Siebfaktor (Fill-Faktor F.F.) verbessert und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung erhöht.
In der Fig. 2 ist die Strom-Spannungs-Charakteristik (IV) der Solarzelle nach Fig. 1 im Vergleich zu einer kon­ ventionellen Solarzelle dargestellt. Entlang der horizontalen Achse ist eine Ausgangsspannung aufgetragen, wie sie bei Lichteinfall auf die Solarzelle erhalten wird. Entlang der vertikalen Achse ist dagegen der Ausgangsstrom bei Lichteinfall auf die Solarzelle angegeben. Die Charakteristik einer Solarzelle mit Frontkontakten aus einer Ag-Paste ohne Zusatz von Phosphor (P) oder einer Phosphorverbindung ist durch die unterbrochene Linie ange­ deutet. Dagegen ist die Charakteristik der Solarzelle nach der Erfindung mit Frontkontakten aus einer Ag-Paste mit einem Zusatz an Phosphor (P) oder einer Phosphorverbindung durch die ununterbrochene Linie A dargestellt. Die unter­ brochene Linie ist mit B bezeichnet. Bei der konventionellen Solarzelle entsprechend der unterbrochenen Linie B liegt ein relativ großer Kontaktwiderstand zwischen den Front­ kontakten und der Diffusionsschicht vor, wobei der Sieb­ faktor etwa 0,5 ist. Im Vergleich zur konventionellen Solar­ zelle ist dagegen bei der Solarzelle nach der Erfindung entsprechend der durchgehenden Linie A der Kontakt­ widerstand zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusions­ schicht 2 erheblich vermindert. Das Ausgangssignal der Solar­ zelle nach der Erfindung ist daher erheblich größer als das der konventionellen Solarzelle. Ferner sind der Siebfaktor vergrößert, der etwa den Wert 0,75 annimmt, und der Wirkungs­ grad der Energieumwandlung erhöht.
Im Vorangegangenen wurde lediglich Phosphor als Element der fünften Gruppe des periodischen Systems verwendet, oder eine entsprechende Phosphorverbindung. Allerdings ist hierauf die Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise können auch Vanadium, Wismut, und so weiter benutzt werden. Auch muß nicht unbedingt eine Ag-Paste zur Bildung der Frontkontakte 4 verwendet werden. Eine entsprechende Metallpaste, die Cu oder Ni als Basismetallmaterial enthält, kann ebenfalls zum Einsatz kommen.
Ebenfalls ist die Erfindung nicht auf einkristalline Siliziumsolarzellen beschränkt, sondern bezieht sich eben­ falls auf polykristalline Siliziumsolarzellen. Der Anti­ reflexionsbelag 3 kann beispielsweise aus TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅, SnO₂, Si₃N₄, und so weiter, bestehen.
Auch muß die Solarzelle nach der Erfindung nicht unter Verwendung des sogenannten Durchbrennverfahrens hergestellt werden. Auch andere Verfahren sind denkbar, durch die der Wirkungsgrad der Energieumwandlung der Solarzelle erhöht wird.
Die Metallpaste kann darüber hinaus mehrere Elemente der fünften Gruppe des periodischen Systems oder entsprechende Verbindungen enthalten.
Wie oben beschrieben, werden aktive Verunreinigungen bzw. Fremdatome in das Halbleitersubstrat 1 hineindiffundiert, um eine Pn-Übergangsschicht zu erzeugen. Die Frontkontakte 4 werden durch eine Metallpaste gebildet, die eine Glasur­ masse bzw. Glasschmelze, den organischen Binder, das Lösungsmittel und das Element aus der fünften Gruppe des periodischen Systems der Elemente enthält. Wird die Metall­ paste stark erhitzt bzw. gebrannt, so brennen die Front­ kontakte durch den Antireflexionsbelag 3 hindurch, und zwar aufgrund des Zusammenwirkens der Glasurmasse mit dem Element innerhalb der Metallpaste. Es wird somit eine sehr gute ohmsche Verbindung zwischen den Frontkontakten 4 und der Diffusionsschicht 2 des Halbleitersubstrats 1 erhalten. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Solarzelle nach der Erfindung und ihr Wirkungsgrad der Energieumwandlung sind daher erheblich verbessert.

Claims (12)

1. Solarzelle, mit einem Halbleitersubstrat (1), gekennzeichnet durch
  • - eine durch Diffusion aktiver Verunreinigungen im Halb­ leitersubstrat (1) gebildete Diffusionsschicht (2), und durch
  • - einen auf der Diffusionsschicht (2) gebildeten Kontakt (4), der aus einer Metallpaste hergestellt ist, die einen als Hauptmaterial dienenden Metallpuder, eine Glasurmasse und ein Element aus der fünften (V) Gruppe des Periodensystems enthält.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Diffusionsschicht (2) ein Antireflexionsbelag (3) gebildet ist, durch den verhindert wird, daß Licht von der Solarzelle reflektiert wird.
3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt (4) durch Brennen durch den Antireflexionsbelag (3) hindurch gebildet ist, um eine hinreichende ohmsche Ver­ bindung zwischen der Diffusionsschicht (2) und dem Kontakt (4) zu erhalten.
4. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antireflexionsbelag (3) aus einem elektrisch isolierendem Material besteht.
5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Antireflexionsbelags (3) aus der TiO2, SiO2 Ta₂O₅, SnO2 und Si₃N₄ enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
6. Solarzelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Menge des Elementes der fünften Gruppe bezogen auf die Metallpaste aus einem Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis etwa 0,3 Gew.-% ausgewählt ist.
7. Solarzelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial aus der Ag, Cu und Ni enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
8. Solarzelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpaste einen organischen Binder und ein Lösungsmittel enthält.
9. Solarzelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpaste mehrere Elemente der fünften (V) Gruppe des Periodensystems enthält.
10. Solarzelle, mit
  • - einem Halbleitersubstrat, in das aktive Verunreinigungen zur Bildung einer pn-Übergangsschicht eindiffundiert sind, und mit
  • - einem Frontkontakt aus einer Metallpaste, die einen metallischen Puder als Basismaterial, eine Glasurmasse, einen organischen Binder und ein Lösungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpaste ein Element der fünften (V) Gruppe des Perioden­ systems enthält.
11. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Element Phosphor (P) ist.
12. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpaste eine Silber(Ag)-Paste ist.
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