DE3819671C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer integrierten antiparallelen Schutzdiode, umfassend eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine zweite Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht, die in Kontakt miteinander einen ersten p-n-Übergang bilden, der für die Funktion der Solarzelle maßgeblich ist; eine weitere Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der Rückseite der ersten Halbleiterschicht, die in Kontakt miteinander einen p-n-Übergang bilden, der für die Funktion der Schutzdiode maßgeblich ist; und erste und zweite Verbindungseinrichtungen, welche die erste Halbleiterschicht mit der zweiten Halbleiterschicht bzw. die erste Halbleiterschicht mit der weiteren Halbleiterschicht elektrisch miteinander verbinden und äußere Verbindungselektroden bilden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Solarzelle mit einer integrierten antiparallelen Schutzdiode.
Der grundsätzliche Aufbau einer Solarzelle besteht aus einer Diode mit einem p-n-Übergang. Wenn eine solche Solarzelle in der Praxis zur Stromerzeugung verwendet wird, so werden eine Vielzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet, so daß die Gesamtspannung, die durch Zusammensetzen der in den jeweiligen Solarzellen erzeugten Spannungen erhalten wird, einen gewünschten Spannungspegel erreicht.
Wenn ein Teil der miteinander in Serie geschalteten Solar­ zellen beim Stromerzeugungsbetrieb abgeschattet wird, verlieren nur die abgeschatteten Solarzellen ihre Energie­ erzeugungsfunktion. In diesem Falle wird eine Spannung, die in den anderen, in Serie geschalteten Solarzellen erzeugt wird, an die abgeschatteten Solarzellen als Sperrspannung ihrer Dioden angelegt.
Wenn die Durchbruchspannung in Sperrichtung der Solarzelle niedrig ist, erfolgt infolgedessen ein Durchbruch der abgeschatteten Solarzelle, so daß ihre Funktion, die für die fotovoltaische Energieerzeugung erforderlich ist, schlechter wird oder verloren geht. Um zu verhindern, daß bei einer abgeschatteten Solarzelle ein Durchbruch erfolgt, muß daher die Durchbruchsspannung in Sperrichtung der Solarzelle verbessert bzw. erhöht werden; alternativ dazu kann eine andere Diode in antiparalleler Schaltung zur jeweiligen Solarzelle vorgesehen sein, deren Spannungsabfall insgesamt niedriger ist als die Durchbruchsspannung in Sperrichtung der einzelnen Solarzelle.
Die Verbesserung der Durchbruchsspannung in Sperrichtung der Solarzelle kann erreicht werden, indem man die Ver­ unreinigungskonzentration in ihrer Basisschicht verringert. Im allgemeinen soll eine Solarzelle einen p-n-Übergang haben, der sich in einem flachen Bereich ihrer Lichtempfangs­ oberfläche befindet; insbesondere muß bei einer Solarzelle, die im kosmischen Raum verwendet wird, der p-n-Übergang in einem flachen Bereich vorgesehen sein, der von der Lichtempfangsoberfläche um einen Abstand von 0,3 µm bis 0,5 µm oder weniger entfernt ist.
Obwohl es in einem Laboratorium möglich ist, den p-n-Übergang durch einen Diffusionsprozeß bezüglich der Basisschicht durchzuführen, die eine geringe Verunreinigungskonzentration hat, welche für eine Durchbruchsspannung in Sperrichtung von einigen hundert Volt erforderlich ist, läßt sich dieser Prozeß bei der Massenherstellung von Solarzellen kaum anwenden. Insbesondere ist es bei einer GaAs-Solarzelle schwierig, die geringe Verunreinigungskonzentration beim Kristallwachs­ tumsverfahren zu erhalten, und somit kann eine Durchbruchs­ spannung in Sperrichtung über einigen zehn Volt nicht erreicht werden.
Daraus ergibt sich, daß eine Verbesserung der Durchbruchs­ spannung in Sperrichtung einer Solarzelle bei herkömmlicher Technik begrenzt ist, so daß sich eine herkömmliche Solarzelle kaum wirkungsvoll in einem Hochspannungs-Erzeugungssystem verwenden läßt.
Das Einsetzen einer zusätzlichen Diode ist andererseits wirksam für den Schutz einer Solarzelle. Dieses Einsetzen bringt jedoch eine Zunahme der Anzahl von Bauteilen mit sich, so daß die Herstellungskosten der Solarzellen zunehmen und die Zuverlässigkeit des Systems verringert wird. Insbesondere ist die geringe Zuverlässigkeit ein ernsthaftes Problem beim Einsatz im kosmischen Raum, wo eine extrem hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist.
Eine Solarzelle der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 43 23 719 bekannt und weist eine integrierte und antiparallel geschaltete Schutzdiode auf. Sowohl die Schutzdiode als auch die erforderlichen Anschlußkontakte der Solarzelle nehmen aber bei der bekannten Solarzelle einen beträchtlichen Raum ein, der auf der Lichteinfallseite der Solarzelle verlorengeht. Ähnliche Solarzellen sind auch aus der JP 57-91 566 A, der FR 13 20 775 sowie der DE 30 05 560 A1 bekannt, die aber den Anforderungen der Praxis insofern nicht genügen, als sowohl eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb als auch eine weitgehende Integration erforderlich sind, um die zur Verfügung stehende Fläche optimal zu nutzen.
Aus der JP 60-783 A ist eine Solarzelle bekannt, bei der zur Vergrößerung der nutzbaren Lichteinfallfläche die der Lichteinfallseite zugewandte Halbleiterschicht durch einen diffundierten Bereich von der Rückseite der Zelle her kontaktiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle, bei der eine zusätzliche Diodenstruktur in antiparalleler Schaltung ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, derart, daß durch die Schutzdiode keine nutzbare Fläche verlorengeht.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Solarzelle der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein Teil der zweiten Halbleiterschicht sich von der einen Hauptfläche auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht durch diese Halbleiterschicht hindurch zur anderen Hauptfläche auf der Rückseite erstreckt und die erste Halbleiterschicht in einen ersten, relativ großen Halbleiterbereich und einen zweiten, relativ kleinen Halbleiterbereich teilt, daß die weitere Halbleiterschicht als dritter Halbleiterbereich in einem Teil des zweiten Halbleiterbereiches ausgebildet und von der zweiten Halbleiterschicht getrennt ist und daß beide Verbindungseinrichtungen als äußere Verbindungselektroden auf der Rückseite der Solarzelle angebracht sind.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle ist vorgesehen, daß die erste äußere Verbindungselektrode sich von einem Bereich auf dem Teil der zweiten Halbleiterschicht zu einem Bereich auf dem zweiten Halbleiterbereich erstreckt und daß die zweite äußere Verbindungselektrode sich von einem Bereich auf dem ersten Halbleiterbereich zu einem Bereich auf dem dritten Halbleiterbereich erstreckt und eine Isoliereinrichtung aufweist, die die zweite äußere Verbindungselektrode gegenüber der zweiten Halbleiterschicht und dem zweiten Halbleiterbereich isoliert. Dabei erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Isoliereinrichtung aus einer Isolierschicht aus Siliziumnitrid besteht.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle ist vorgesehen, daß die zweite äußere Verbindungselektrode den p-n-Übergang bedeckt, der von dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich gebildet wird.
Bei einer speziellen Bauform der erfindungsgemäßen Solarzelle ist vorgesehen, daß die erste Halbleiterschicht, die zweite Halbleiterschicht und der dritte Halbleiterbereich im wesentlichen aus GaAs mit Verunreinigungen bestehen.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle ist vorgesehen, daß der von dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich gebildete p-n-Übergang sich in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von einem Kantenbereich der ersten Halbleiterschicht befindet.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle ist zweckmäßigerweise der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Typ. Bei einer speziellen Ausführungsform ist der p-Typ erhalten durch Einführen von Zn-Atomen als Verunreinigungen in einen GaAs-Kristall.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer integrierten antiparallelen Schutzdiode umfaßt folgende Schritte:
  • a) Herstellen einer ersten Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
  • b) selektives Eindiffundieren von Verunreinigungen in die erste Halbleiterschicht zur Bildung der zweiten Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die in Kontakt miteinander einen ersten p-n-Übergang bilden, wobei ein durchgehender Teil der zweiten Halbleiterschicht sich von der einen Hauptfläche auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht durch diese Halbleiterschicht hindurch zur anderen Hauptfläche auf der Rückseite erstreckt und die erste Halbleiterschicht in den ersten, relativ großen Halbleiterbereich und den zweiten, relativ kleinen Halbleiterbereich teilt;
  • c) selektives Eindiffundieren von Verunreinigungen von der Rückseite inselförmig in einem Teil des zweiten Halbleiterbereiches getrennt von der zweiten Halbleiterschicht zur Bildung des dritten Halbleiterbereiches vom zweiten Leitfähigkeitstyp; und
  • d) Anbringen der ersten und zweiten elektrischen Verbindungseinrichtungen auf der Rückseite der Solarzelle in Form von äußeren Verbindungselektroden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die zweite äußere Verbindungselektrode gegenüber der zweiten Halbleiterschicht und dem zweiten Halbleiterbereich isoliert wird. Für diese Isolierung der zweiten äußeren Verbindungselektrode wird zweckmäßigerweise eine Isolierschicht aus Siliziumnitrid verwendet.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die zweite äußere Verbindungselektrode so ausgebildet wird, daß sie den p-n-Übergang bedeckt, der von dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich gebildet wird.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die erste Halbleiterschicht, die zweite Halbleiterschicht und der dritte Halbleiterbereich im wesentlichen aus GaAs mit Verunreinigungen gebildet werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der dritte Halbleiterbereich in der Weise gebildet wird, daß der von dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich gebildete p-n-Übergang sich in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von einem Kantenbereich der ersten Halbleiterschicht befindet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1(a) bis 1(e) Querschnitte durch eine Halbleiterscheibe zur Erläuterung der Folge von Herstellungs­ schritten bei der Herstellung einer Solar­ zelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2(a) und 2(b) eine Draufsicht und eine Unteransicht der erfindungsgemäßen Solarzelle gemäß Fig. 1;
Fig. 3(a) bis 3(e) Querschnitte einer Halbleiterscheibe zur Erläuterung der Folge von Verfahrens­ schritten bei der Herstellung einer Solarzelle gemäß einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung; und in
Fig. 4(a) und 4(b) eine Draufsicht und eine Unteransicht der Solarzelle gemäß Fig. 3.
In den Fig. 1(a) bis Fig. 1(e) sind Querschnitte eines Halb­ leiterplättchens dargestellt zur Erläuterung der Folge von Verfahrensschritten bei der Herstellung einer GaAs-Solarzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2(a) zeigt eine Draufsicht und Fig. 2(b) zeigt eine Unteransicht der Solarzelle, die mit den jeweiligen Ver­ fahrensschritten gemäß Fig. 1 hergestellt worden ist. Dabei entspricht Fig. 1(e) einem Querschnitt der Solarzelle längs der Linie I-I in Fig. 2(a). Dementsprechend werden in Fig. 1 und 2 gleiche Bezugszeichen für gleiche bzw. ent­ sprechende Komponenten verwendet. Das Verfahren zur Herstellung der Solarzelle wird anhand der einzelnen Schritte unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Zunächst einmal wird gemäß Fig. 1(a) eine Siliziumnitrid­ schicht 21, die als Maske zur selektiven Diffusion dient, auf den beiden Oberflächen eines n-Typ GaAs-Substrats (einer ersten Halbleiterschicht) 10 hergestellt, und zwar mit einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren.
Wie in Fig. 1(b) dargestellt, wird ein vorgegebener Bereich der Siliziumnitridschicht 21 mit einem fotolithografischen Verfahren entfernt, um Fenster 24a, 24b und 24c auf beiden Oberflächen des n-Typ GaAs-Substrats 10 zu erhalten.
Von beiden Oberflächen des n-Typ GaAs-Substrats 10 werden durch die Fenster 24a und 24b Zn-Atome eindiffundiert, so daß eine p-Typ GaAs-Schicht (eine zweite Halbleiterschicht) 12 gebildet wird, die Verunreinigungen aus Zink (Zn) enthält. Die p-Typ GaAs-Schicht 12 erstreckt sich durch das n-Typ GaAs-Substrat 10 und teilt somit das n-Typ GaAs-Substrat 10 in einen n-Typ GaAs-Bereich (einen ersten Halbleiterbereich) 11 und einen n-Typ GaAs-Bereich (einen zweiten Halbleiter­ bereich) 13.
Gleichzeitig mit der Bildung der p-Typ GaAs-Schicht 12 werden Zn-Atome durch das Fenster 24c eindiffundiert, so daß ein p-Typ GaAs-Bereich (ein dritter Halbleiterbereich) 14, der von der p-Typ GaAs-Schicht 12 getrennt ist, in der Boden­ fläche des n-Typ GaAs-Bereiches 13 gebildet wird, wie es Fig. 1(c) zeigt. Nach dem Entfernen der Siliziumnitridschicht 21 wird eine p-Typ GaAs-Schicht 15 von etwa 0,5 µm Dicke, die mit der p-Typ GaAs- Schicht 12 verbunden ist, auf der Oberseite der Oberfläche gebildet, die als Lichtempfangsfläche dient, und zwar mit einem Kristallwachstumsverfahren oder dergleichen, um einen p-n-Übergang mit Solarzellenfunktion zu bilden, wie es Fig. 1(d) zeigt. Eine p-Typ AlGaAs-Schicht 16 mit etwa 0,05 µm bis 0,1 µm Dicke wird dann auf der p-Typ GaAs-Schicht 15 ausgebildet.
Als nächstes wird eine Siliziumnitridschicht (S3N4), die als Antispiegelungsschicht dient, auf der oberen Oberfläche des Halbleiterplättchens ausgebildet, und eine andere Silizium­ nitridschicht, die als Isolierschicht dient, wird auf seiner Unterseite ausgebildet. Vorgegebene Bereiche der Siliziumnitridschichten der beiden Oberflächen werden dann mit einem Fotolithografie-Verfahren entfernt, und die p-Typ AlGaAs-Schicht 16 wird ebenfalls, mit Ausnahme eines Teiles, entfernt. Infolgedessen erhält man die Antispiegelungsschicht 22 gemäß Fig. 2(a) und die Isolierschicht 23 gemäß Fig. 2(b) auf der Oberseite bzw. der Unterseite des Halbleiterplättchens.
Wie in Fig. 1(e) dargestellt, wird dann eine Gitterelektrode 31 auf der oberen Oberfläche ausgebildet, und eine Anode 32 sowie eine Kathode 33, die als erste und zweite äußere Anschlußelektroden dienen, werden auf der Bodenfläche ausge­ bildet.
Die Anode 32 erstreckt sich vom Bereich der p-Typ GaAs-Schicht 12 zum Bereich des n-Typ GaAs-Bereiches 13. Die Kathode 33 erstreckt sich vom Bereich des n-Typ GaAs-Bereiches 11 zum Bereich des p-Typ GaAs-Bereiches 14 über die Bereiche der p-Typ GaAs-Schicht 12 und des n-Typ GaAs-Bereiches 13, wie es in Fig. 2(b) dargestellt ist. Da die Kathode 33 auf der p-Typ GaAs-Schicht 12 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 mit der Isolierschicht 23 dazwischen vorgesehen ist, verbindet die Kathode 33 die p-Typ GaAs-Schicht 12 nicht mit dem n-Typ GaAs-Bereich 13.
In der so hergestellten Solarzelle besteht ein Solarzellen­ bereich aus den p-Typ GaAs-Schichten 12 und 15 sowie dem n-Typ GaAs-Bereich 11, und ein Diodenbereich, der mit dem Solar­ zellenbereich in Antiparallelschaltung verbunden ist, wird von dem p-Typ GaAs-Bereich 14 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 gebildet.
Wenn auf der oberen Oberfläche der Solarzelle mit derartigem Aufbau Licht empfangen wird, so wird fotovoltaische Energie zwischen der p-Typ GaAs-Schicht 15 und dem n-Typ GaAs-Bereich 11 erzeugt, so daß die Struktur als Solarzelle funktioniert, bei der positive und negative Potentiale an der Anode 32 bzw. der Kathode 33 auftreten.
Während des Energieerzeugungsbetriebes sind die p-Typ GaAs- Schicht 12, die mit der p-Typ GaAs-Schicht 15 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 verbunden ist, elektrisch miteinander kurz­ geschlossen. Somit trägt fotovoltaische Energie, die zwischen der p-Typ GaAs-Schicht 15 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 erzeugt wird, nicht zu der fotovoltaischen Energieerzeugung bei, um elektrische Energie von der Solarzelle nach außen abzugeben.
Andererseits hat ein p-n-Übergang, bestehend aus dem n-Typ GaAs-Bereich 13 und dem p-Typ GaAs-Bereich 14 die Funktion, daß er eine fotovoltaische Energie in einer Richtung ent­ gegengesetzt zur ursprünglichen Energieerzeugungsrichtung der Solarzelle erzeugt. Dieser p-n-Übergang zwischen den Bereichen 13 und 14 verschlechtert jedoch die Funktion der Solarzelle nicht wesentlich, indem er eine entgegengesetzt gerichtete Energie erzeugt, und zwar aus den folgenden Gründen:
  • a) Da der p-n-Übergang an der Unterseite entgegengesetzt zur Oberseite, also der Lichtempfangsfläche vorgesehen ist, erreicht nur ein extrem kleiner Teil des Lichtes den p-n- Übergang; dies gilt insbesondere bei einer GaAs-Solarzelle oder dergleichen mit einem hohen Fotoabsorptionskoeffizienten, bei der Licht mit einer Wellenlänge, die für die fotovoltaische Energieerzeugung erforderlich ist, kaum den p-n-Übergang erreicht;
  • b) die Fläche des p-n-Überganges kann bei entsprechender Ausge­ staltung so verringert werden, daß sie ausreichend kleiner ist als die effektive Energieerzeugungsfläche; und
  • c) es kann verhindert werden, daß das empfangene Licht den p-n-Übergang erreicht, indem man eine Metallelektroden­ schicht auf der Oberseite vorsieht.
Bei der obigen Beschreibung ist der Einfluß von Licht, das auf die Rückseite oder Seitenflächen der Solarzelle trifft, welche keine Lichtempfangsfläche der Solarzelle bilden, vernachlässigt. Dieser Einfluß kann jedoch in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Sofern dies nicht der Fall ist, ist dafür eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung vorgesehen, die nachstehend beschrieben ist.
Fig. 3(a) bis Fig. 3(e) zeigen Querschnitte zur Erläuterung der Herstellungsschritte einer GaAs-Solarzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 4(a) und Fig. 4(b) zeigen eine Draufsicht bzw. eine Unteransicht einer derartigen Solarzelle, die mit den Schritten gemäß Fig. 3 hergestellt worden ist. Insbesondere zeigt dabei Fig. 3(e) einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 4(a). Dabei sind in den Detaildarstellungen von Fig. 3 und Fig. 4 gleiche oder entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet. Unter Bezugnahme auf diese Figuren werden die einzelnen Herstellungsschritte nachstehend näher erläutert.
Die Schritte gemäß Fig. 3(a) bis Fig. 3(d) werden in ähnlicher Weise durchgeführt wie die Schritte gemäß Fig. 1(a) bis Fig. 1(d), mit Ausnahme der Positionierung des Fensters 24c.
Das Fenster 24c wird in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von dem Kantenbereich des n-Typ GaAs-Substrats 10 ausgebildet. Somit wird der durch das Fenster 24c definierte p-Typ GaAs-Bereich 14 ebenfalls in einem Abstand von mehr als 20 µm vom Kantenbereich des n-Typ GaAs-Substrats 10 ausgebildet, d. h. dem Kantenbereich der Solarzelle.
Die Herstellung der Elektroden auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats 10 geschieht folgendermaßen. Eine Silizium­ nitridschicht, die als Isolierschicht dient, wird auf der rückseitigen Oberfläche ausgebildet. Die Siliziumnitridschicht wird dann in den vorgegebenen Bereichen mit einem Fotolithografie- Verfahren entfernt, um den Isolierfilm 23 bzw. 23a und 23b zu erhalten, wie es in Fig. 3(e) und Fig. 4(b) dargestellt ist.
Dann wird die Anode 32 sowohl auf der p-Typ GaAs-Schicht 12 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 ausgebildet, während die Kathode 33 ausgebildet wird, daß sie sich von der Oberfläche des n-Typ GaAs-Bereiches 11 zur Oberfläche des p-Typ GaAs-Bereiches 14 erstreckt, und sie ist gegenüber der p-Typ GaAs-Schicht 12 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 durch die Isolierschicht 23 isoliert.
Ein p-n-Übergang, der von dem p-Typ GaAs-Bereich 14 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 gebildet wird, wird mit der Isolier­ schicht 23b überzogen und die Kathode 33 darauf ausgebildet, wie es Fig. 3(e) und Fig. 4(b) zeigen. Die Kathode 33 ist elektrisch mit dem p-Typ GaAs-Bereich 14 im zentralen Bereich 14c der Oberfläche des p-Typ GaAs-Bereiches 14 verbunden.
Die Herstellung der Elektrode 31 usw. auf der oberen Ober­ fläche des Substrats 10 erfolgt in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2, so daß ihre Beschreibung entbehrlich ist.
Die erfindungsgemäße Solarzelle gemäß dieser Ausführungsform hat die folgenden Vorteile zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2.
Der p-Typ GaAs-Bereich 14 wird in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm vom Kantenbereich der Solarzelle ausgebildet, und somit befindet sich der p-n-Übergang, der von dem p-Typ GaAs-Bereich 14 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 gebildet wird, in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von dem Kantenbereich der Solarzelle.
Infolgedessen kann Licht, das auf den Kantenbereich der Solar­ zelle auftrifft, den p-n-Übergang der antiparallel geschalteten Diode nicht erreichen, die von dem p-Typ GaAs- Bereich 14 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 gebildet wird, da die GaAs-Solarzelle aufgrund des verwendeten Materials GaAs einen großen Fotoabsorptionskoeffizienten besitzt, wie es oben beim Vorteil (a) erläutert worden ist, so daß die Infiltrationstiefe des Lichtes mit einer effektiven Wellen­ länge für die fotovoltaische Energieerzeugung etwa 20 µm beträgt.
Weiterhin wird Licht, das auf die rückseitige Oberfläche der Solarzelle auftrifft, reflektiert und von der Kathode 33 absorbiert, welche den p-n-Übergang der antiparallel ge­ schalteten Diode bedeckt, so daß sie den p-n-Übergang nicht erreicht.
Somit wird der Einfluß von Licht, das auf die rückseitigen und seitlichen Oberflächen der Solarzelle auftrifft, beseitigt. Dadurch kann die Erzeugung von Energie durch den p-n-Übergang der antiparallel geschalteten Diode entgegengesetzt zu der Energieerzeugung der Solarzelle in perfekter Weise ver­ hindert werden.
Wenn bei einem Solarzellenmodul, der durch Verbindung der Solarzellen in Serienschaltung durch die entsprechenden äußeren Verbindungen der jeweiligen Anoden 32 und Kathoden 33 herge­ stellt wird, ein Teil der Solarzellen abgeschattet wird, so wird eine Sperrspannung an die jeweilige abgeschattete Solarzelle angelegt, so daß die Anode 32 und die Kathode 33 mit negativen bzw. positiven Potentialen vorgespannt werden. Da der antiparallele Diodenbereich, bestehend aus dem p-Typ GaAs-Bereich 14 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 in der abge­ schatteten Solarzelle in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom von der Kathode 33 zur Anode 32 durch die abgeschattete Solarzelle, der die Spannung zwischen der Kathode 33 und der Anode 32 verringert. Infolgedessen beauf­ schlagt die Sperrspannung den Solarzellenbereich nicht in wesentlicher Weise, die somit im wesentlichen eine Energie­ erzeugungsfunktion behält, die bei der Solarzelle erforderlich ist.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen GaAs-Solar­ zellen verwendet werden, kann die Erfindung auch Anwendung finden auf eine Si-Solarzelle sowie andere Typen von Solar­ zellen. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Kathode 33 so ausgebildet, daß sie den n-Typ GaAs-Bereich 11 und den p-Typ GaAs-Bereich 14 kurzschließt. Es ist jedoch klar, daß die Elektroden für den n-Typ GaAs-Bereich 11 und den p-Typ GaAs-Bereich 14 auch unabhängig voneinander ausgebildet sein können und sich bei einem Montagevorgang über einen Verbinder miteinander verbinden lassen, so daß eine ähnliche Wirkung wie bei der beschriebenen Ausführungsform erzielt wird.

Claims (15)

1. Solarzelle mit einer integrierten antiparallelen Schutzdiode, umfassend
  • - eine erste Halbleiterschicht (11, 13) von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
  • - eine zweite Halbleiterschicht (12, 15) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht (11, 13), die in Kontakt miteinander einen ersten p-n-Übergang bilden, der für die Funktion der Solarzelle maßgeblich ist,
  • - eine weitere Halbleiterschicht (14) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der Rückseite der ersten Halbleiterschicht (11, 13), die in Kontakt miteinander einen p-n-Übergang bilden, der für die Funktion der Schutzdiode maßgeblich ist, und
  • - erste und zweite Verbindungseinrichtungen (32, 33), welche die erste Halbleiterschicht mit der zweiten Halbleiterschicht (13; 12) bzw. die erste Halbleiterschicht mit der weiteren Halbleiterschicht (11; 14) elektrisch miteinander verbinden und äußere Verbindungselektroden bilden,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Teil (12) der zweiten Halbleiterschicht (12, 15) sich von der einen Hauptfläche auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht (11, 13) durch diese Halbleiterschicht hindurch zur anderen Hauptfläche auf der Rückseite erstreckt und die erste Halbleiterschicht (11, 13) in einen ersten, relativ großen Halbleiterbereich (11) und einen zweiten, relativ kleinen Halbleiterbereich (13) teilt,
  • - daß die weitere Halbleiterschicht als dritter Halbleiterbereich (14) in einem Teil des zweiten Halbleiterbereiches (13) ausgebildet und von der zweiten Halbleiterschicht (12, 15) getrennt ist
  • - und daß beide Verbindungseinrichtungen als äußere Verbindungselektroden (32, 33) auf der Rückseite der Solarzelle angebracht sind.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Verbindungselektrode (32) sich von einem Bereich auf dem Teil (12) der zweiten Halbleiterschicht zu einem Bereich auf dem zweiten Halbleiterbereich (13) erstreckt, und daß die zweite äußere Verbindungselektrode (33) sich von einem Bereich auf dem ersten Halbleiterbereich (11) zu einem Bereich auf dem dritten Halbleiterbereich (14) erstreckt und eine Isoliereinrichtung (23, 23a, 23b) aufweist, die die zweite äußere Verbindungselektrode (33) gegenüber der zweiten Halbleiterschicht (12) und dem zweiten Halbleiterbereich (13) isoliert.
3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung aus einer Isolierschicht (23, 23a, 23b) aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) besteht.
4. Solarzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Verbindungselektrode (33) den p-n-Übergang bedeckt, der von dem zweiten Halbleiterbereich (13) und dem dritten Halbleiterbereich (14) gebildet wird.
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (11, 13), die zweite Halbleiterschicht (12, 15) und der dritte Halbleiterbereich (14) im wesentlichen aus GaAs mit Verunreinigungen bestehen.
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zweiten Halbleiterbereich (13) und dem dritten Halbleiterbereich (14) gebildete p-n-Übergang sich in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von einem Kantenbereich der ersten Halbleiterschicht (13) befindet.
7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist.
8. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ erhalten wird durch Einführen von Zn-Atomen als Verunreinigungen in einen GaAs-Kristall.
9. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer integrierten antiparallelen Schutzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das folgende Schritte umfaßt:
  • a) Herstellen einer ersten Halbleiterschicht (10) von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
  • b) selektives Eindiffundieren von Verunreinigungen in die erste Halbleiterschicht (10) zur Bildung der zweiten Halbleiterschicht (12, 15) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die in Kontakt miteinander einen ersten p-n-Übergang bilden, wobei ein durchgehender Teil (12) der zweiten Halbleiterschicht (12, 15) sich von der einen Hauptfläche auf der Lichteinfallseite der ersten Halbleiterschicht (10) durch diese Halbleiterschicht hindurch zur anderen Hauptfläche auf der Rückseite erstreckt und die erste Halbleiterschicht (10) in den ersten, relativ großen Halbleiterbereich (11) und den zweiten, relativ kleinen Halbleiterbereich (13) teilt,
  • c) selektives Eindiffundieren von Verunreinigungen von der Rückseite inselförmig in einem Teil des zweiten Halbleiterbereiches (13) getrennt von der zweiten Halbleiterschicht (12, 15) zur Bildung des dritten Halbleiterbereiches (14) vom zweiten Leitfähigkeitstyp und
  • d) Anbringen der ersten und zweiten elektrischen Verbindungseinrichtungen (32, 33) auf der Rückseite der Solarzelle in Form von äußeren Verbindungselektroden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Verbindungselektrode (33) gegenüber der zweiten Halbleiterschicht (12) und dem zweiten Halbleiterbereich (13) isoliert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolierung der zweiten äußeren Verbindungselektrode (33) eine Isolierschicht (23, 23a, 23b) aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Verbindungselektrode (33) so ausgebildet wird, daß sie den p-n-Übergang bedeckt, der von dem zweiten Halbleiterbereich (13) und dem dritten Halbleiterbereich (14) gebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (11, 13), die zweite Halbleiterschicht (12, 15) und der dritte Halbleiterbereich (14) im wesentlichen aus GaAs mit Verunreinigungen gebildet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Halbleiterbereich (14) in der Weise gebildet wird, daß der von dem zweiten Halbleiterbereich (13) und dem dritten Halbleiterbereich (14) gebildete p-n-Übergang sich in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm von einem Kantenbereich der ersten Halbleiterschicht (13) befindet.
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