DE4143083A1

DE4143083A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE4143083A1
Application number: DE4143083A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dr Hezel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, die von auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und zweiten Minoritäts- bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohm schen Kontakten und MIS-Kontakten ableitbar sind, wobei gegebenenfalls die Ohm schen Kontakte auf erhabenen Bereichen des Halbleitersubstrates angeordnet sind.

Bekannte Solarzellen bestehen gewöhnlich aus einem Halbleiterkörper eines Leitungs typs (z. B. p-leitend) in den an der Oberfläche ein Gebiet des entgegengesetzten Lei tungstyps (z. B. n-leitend) erzeugt wird und auf beiden Seiten elektrische Kontakte angebracht sind. Durch das einfallende Licht werden im Halbleiter Elektron-Lochpaare erzeugt, wobei aufgrund des am pn-Übergang herrschenden elektrischen Feldes die Elektronen zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet wandern und über die Metall kontakte abfließen können. Die Metallkontakte auf der dem Licht zugewandten Seite sind in Gitterform aufgebracht, um möglichst wenig Licht abzuschatten.

Um auch diese Lichtabschattung zu eliminieren, ist es bekannt, den "Vorderseitenkon takt" rückseitig anzubringen und somit beide Ladungsträgerarten an der dem Licht abgewandten Seite zu sammeln (US 43 15 097). Dabei befinden sich an der Rückseite durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugte dicht nebeneinanderliegende und ineinandergreifende stark n bzw. p (n⁺ bzw. p⁺) dotierte Gebiete. Die zum Substrat nun bestehenden scharf begrenzten und damit streng voneinander getrennt n⁺p- bzw. p⁺p- Übergänge sorgen aufgrund ihrer Potentialbarriere dafür, daß die Elektronen nur zum n⁺-Kontaktgitter und die Löcher nur zum p⁺-Kontaktgitter gelangen können und damit auch zwischen den n⁺- und p⁺-Gebieten ein hoher Widerstand existiert (hoher Shuntwi derstand). Der Serienwiderstand dagegen ist sehr niedrig da nahezu die gesamte Rückseite mit Metall belegt werden kann (breite Metallfinger) und die Minoritäts ladungsträger (hier Elektronen) nicht wie bei der konventionellen Zelle, lateral durch eine dünne diffundierte oder ionenimplantierte n⁺-Schicht zu den Kontakten fließen müssen. Aus diesem Grunde sowie auch wegen der komplexen Technologie werden diese sogenannten IBC (Interdigitated Back Contact) Solarzellen ausschließlich für hochkonzentriertes Licht, also für sehr hohe Stromdichten, verwendet. Die Diffusions länge der Minoritätsladungsträger muß stets größer sein als die Halbleiterdicke, damit möglichst viele Ladungsträger die Halbleiterrückseite erreichen und ein hoher Wir kungsgrad resultiert. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der beleuchte ten Vorderseite muß sehr niedrig sein, was entweder durch die Erzeugung eines pp⁺- Überganges (FSF = Font Suface Field Solarzelle), eines pn-Überganges (Tandem Junction Solarzelle) oder einer sehr guten Oberflächenpassivierung durch SiO₂ bewerk stelligt wird (M.D. Lammert, R. J. Schwartz, "The Interdigited Back Contact Solar Cell: A Silicon Solar Cell for Use in Concentrated Sunlight" IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-24, No. 4, S. 337-342 (1977)).

Der IBC Zelle sehr ähnlich ist die Punktkontakt (PC) Solarzelle (R. M. Swanson, Solar Cells, Vol. 17, No. 1, S. 85-118 (1986). Hier werden die beiden Kontaktgebiete (n⁺ und p⁺) auf der Rückseite in Form von Punkten sehr klein gehalten, um den Sättigungs sperrstrom zu erniedrigen und damit die Leerlaufspannung der Zelle zu erhöhen. Extrem gute Oberflächenpassivierung z. B. durch thermisches Siliziumoxid spielt hier eine entscheidende Rolle.

Für die bekannten Solarzellen sind äußerst aufwendige Hochtemperaturprozesse ein schließlich feinster Strukturierung durch Photolack- und Ätzprozesse erforderlich, so daß wegen des hohen Preises eine großflächige Anwendung ohne Konzentration des Lichtes kaum infrage kommen dürfte.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfach zu realisierende Anordnung der ersten und zweiten Kontakte auf einer Seite der Solarzelle aufzuzeigen, die insbesondere für großflächige nichtkonzentrierende Systeme vorteilhaft eingesetzt werden kann. Dabei soll eine Realisierung sowohl auf durch Diffusion erzeugten pn-Übergängen als auch auf der Induzierung eines elektrischen Feldes durch ein Metall oder durch oberflächliche Isolatorladungen basieren können. Es soll zusätzlich auch das durch eine rückseitige Doppel-Kontaktgitterstruktur einfallende Licht ausgenützt und schließlich eine einfache doppelseitig beleuchtbare und doppelseitig Minoritätsladungsträger sammelnde Solar zelle zur Verfügung gestellt werden. Letztere dient sowohl zur bestmöglichen Aus nützung des Umgebungsstreulichtes wie auch zur sehr effektiven Sammlung der licht erzeugten Ladungsträger insbesondere bei Vorliegen eines billigeren Halbleitersub strates mit reduzierter Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.

Das Problem wird erfindungsgemäß einerseits dadurch gelöst, daß die ersten und zweiten Kontakte auf einer Erhebungen aufweisenden Halbleitersubstratfläche angeord net sind, daß die ersten und zweiten Kontakte zumindest bereichsweise auf zuvor mit Passivierungsmaterial abgedeckten und sodann von diesem freigelegten Abschnitten der Erhebungen unmittelbar oder auf einer Isolatorschicht angeordnet sind und daß sich entlang der Halbleitersubstratfläche eine die Minoritätsladungsträger zu den MIS- Kontakten leitende Inversionsschicht sowohl zwischen den Ohmschen Kontakten und den MIS-Kontakten als auch zwischen den MIS-Kontakten erstreckt.

Andererseits erfolgt eine Problemlösung dadurch, daß sich elektrisch leitendes Material, das Metall für die MIS-Kontakte, die punkt- oder linienförmig ausgebildet sein können, bildet, ganzflächig oder im wesentlichen ganzflächig zwischen den Ohmschen Kontakten erstreckt.

Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Rückseite einer Solarzelle,

Fig. 2 eine Detail der Solarzelle nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Rückseite einer Solarzelle und

Fig. 4 eine Detail der Solarzelle nach Fig. 3.

Im folgenden sollen anhand von Beispielen einige Varianten einer Kontaktanordnung (Minoritäts- und Majoritätsladungsträger sammelnde Kontakte) auf einer Seite einer Solarzelle beschrieben werden. Vorzugsweise soll diese Konfiguration für die Rückseite von Solarzellen angewendet werden, geringe Kontaktflächen besitzen und gut passiviert sein. Die Vorderseite soll keine Kontakte aufweisen und nur mit einer sehr guten Passivierschicht (Antireflexschicht) oder mit einem zusätzlichen Minoritätsladungsträger sammelnden Kontaktsystem versehen sein.

Im Vordergrund steht eine Struktur mit ineinandergreifenden MIS- und Ohmschen Kontakten in Verbindung mit einer Inversionsschicht im Halbleiter.

Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte Solarzelle (10) umfaßt einen Halbleiterkörper (12) (hier vorzugsweise p-leitendes Silizium), eine dünne Isolatorschicht (14), die von den Elektronen durchtunnelt werden muß und zusammen mit Metallstreifen (16) einen MIS- Kontakt (Metall (16) - Isolator (14) - Silizium (12)) zur Sammlung der Minoritäts ladungsträger bildet.

Breitere Metallstreifen (18) bilden Ohmsche Kontakte zur Sammlung der Majoritäts ladungsträger. Halbleiterkörper- oder -substratfläche ist strukturiert und weist im Ausführungsbeispiel pyramidenförmige Erhebungen (20), (22) (24) auf. Eine andere Geometrie wie Kegel oder Säulen ist gleichfalls möglich.

Die Erhebungen wie Pyramiden (20), (22), (24) sind mit einer durchsichtigen Isolator schicht (26) überzogen, die an ihrer Grenzfläche zum Halbleiter positive Ladungen enthält (für den Fall der Verwendung von p-Silizium). Nach Abtragung der Pyramiden spitzen und damit der Passivierschicht und Halbleitermaterial kann eine Kontaktierung mit dem Metall erfolgen.

Die Anordnung besteht demnach aus zueinander beabstandeten Ohmschen Kontakten (18) (zur Majoritätsträgersammlung, z. B. Aluminium auf Silizium), wobei in den Zwischenräumen sich mehrere schmale MIS-Kontakte (30) (zur Minoritätsladungs trägersammmlung, z. B. Aluminium-1,4 nm Siliziumoxid p-Silizium) mit geringeren Abständen befinden. Die jeweiligen Kontakte können vorzugsweise punkt- oder linien förmig ausgebildet sein, wobei mehrere Punkte insbesondere als ein Ohmscher Kontakt ausgebildet sein können.

An der Halbleiteroberfläche wird aufgrund der positiven Isolatorladungen eine gut leitende Inversionsschicht (28) induziert. Unter dem MIS-Kontakt (30) im Silizium (12) befindet sich ebenfalls eine Inversionsschicht, hervorgerufen durch die Austrittsarbeits differenz von Metall und Halbleiter.

Die Funktionsweise der Sammlung von Minoritätsladungsträgern durch diese Anordnung ist wie folgt:

Die durch das vorne oder hinten einfallende Licht erzeugten Minoritätsladungsträger (hier Elektronen) diffundieren aus dem Halbleiterinneren zur Inversionsschicht (28) und gelangen entlang dieser in horizontaler Richtung zu den MIS Tunnelkontakten (30), durch die sie den Halbleiter verlassen und in einen äußeren Stromkreis gelangen (Minuspol (34)). Die Majoritätsladungsträger (hier Löcher) werden durch das an der Oberfläche im Gebiet zwischen den Ohmschen Kontakten (18) herrschende elektrische Feld von den MIS-Kontakten (30) abgestoßen, von den Ohmschen Kontakten (18) gesammelt und in einen äußeren Stromkreis geleitet (Pluspol (32)). Somit findet eine getrennte Sammlung von Minoritäts- und Majoritätsladungsträgem statt, wie es für die Funktion einer Solarzelle erforderlich ist. Im vorliegenden Fall erfolgt diese Sammlung beider Ladungsträgerarten allein auf einer Seite, vorzugsweise auf der Rückseite der Solarzelle (10).

Die beiden Kontaktsysteme können beispielsweise in Form von ineinandergreifenden Gittern, konzentrischen Ringsystemen oder punktförmigen Kontakten realisiert werden. Von all den bekannten Anordnungen unterscheidet sich die neue Konfiguration neben dem Vorhandensein abgeflachter passivierter Pyramiden (20), (22), (24) unter anderem dadurch, daß die Minoritätsladungsträger entlang der dünnen Inversionsschicht in horizontaler Richtung zu den MIS-Kontakten (30) fließen müssen. Daher ist diese Anordnung besonders für großflächige terrestrische Anwendungen und weniger für die bei starker Lichtkonzentration auftretenden hohen Ströme geeignet.

Erfindungsgemäß soll die Fläche der MIS-Kontakte (30) aus drei Gründen möglichst klein sein:

a) Erreichen eines niedrigen Sättigungssperrstroms und damit eine hohe Leerlauf spannung der Solarzelle (10) (Bedeckungsgrad möglichst kleiner als 20%);
b) Ausnützen der von hinten auf die Zelle (10) auffallenden Strahlung zur Ladungs trägererzeugung;
c) Ermöglichung, daß die langwellige Strahlung durch die Rückseite der Solarzelle (10) austreten kann, wodurch die Erwärmung der Solarzelle (10) vermindert und damit eine höhere Betriebsspannung erreicht wird.

Die durchsichtige Isolatorschicht (20), vorzugsweise thermisches Siliziumoxid, Plasmasili ziumnitrid o.a., kann bei beliebigen Temperaturen hergestellt und/oder getempert werden, um eine optimale Passivierung zu erhalten.

Es ist vorteilhaft, daß hohe Dichten positiver Ladungen in der Isolatorschicht (20) vorhanden sind, was im Falle des Plasmasiliziumnitrids einfach durch den Einbau von vorzugsweise Alkaliionen erreicht wird.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle (10) können auch die Pyramidenspitzen der gesamten Rückseite abgetragen werden (also nicht nur im Kontaktbereich). Dies erfordert jedoch die Abscheidung einer zusätzlichen Passivierschicht über die gesamte Zellenrückseite, um die nicht mit Metall bedeckten Pyramidenflächen zu passivieren.

Nach der bisherigen Kenntnis müßte jedoch bei der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle (10) im Gegensatz zur eingangs beschriebenen IBC-Solarzelle ein grundsätzliches Problem auftreten, was zu einer drastischen Erniedrigung des Solarzellenwirkungsgrades führen sollte: Die beiden Pole (32), (34), MIS-Kontakte (30) und Ohmsche Kontakte (18), zwischen denen sich die Photospannung aufbauen soll, sind intern über die gut leitfähige Inversionsschicht (28) miteinander verbunden, was einem niedrigen Parallelwiderstand (Shunt), also quasi einem Kurzschluß entspricht. Ein Großteil der Ladungsträger müßte demnach nicht über den äußeren Stromkreis, sondern über die sehr gut leitende Inver sionsschicht (28) an der Halbleiteroberfläche vom einen Pol zum anderen abfließen, woraus neben einer reduzierten Leerlaufspannung insbesondere ein stark reduzierter Füllfaktor der Solarzelle (10) resultiert (niedriger Parallelwiderstand). Als Abhilfe könnte man nun an die Anwendung verschiedener, mehr oder weniger komplizierter Verfahren denken wie lokale Unterbrechung der Inversionsschicht, Einbau einer Akkumulationsschicht, lokale Erhöhung des Widerstandes der Inversionsschicht und andere.

Überraschenderweise sind solche Maßnahmen jedoch bei einer Solarzelle mit der erfindungsgemäßen Rückseitenstruktur mit ineinandergreifenden oder auf andere Weise nebeneinander angeordneten Ohmschen und MIS-Kontakten (18) bzw. (30) überhaupt nicht erforderlich. Vielmehr ist nachstehende Anordnung allein ausreichend:

1. Der Abstand zwischen MIS-Kontakt (30) und Ohmschen Kontakt (18) ist mög lichst klein (etwa die Hälfte des Abstandes der MIS-Kontakte (30) unterein ander).
2. Die verbleibende Halbleiterfläche, vorzugsweise p-Silizium, zwischen MIS-Kon takt (30) und Ohmschen Kontakt (18) ist, wie auch die Gebiete zwischen den MIS-Kontakten (30), mit der durchsichtigen Isolatorschicht (26), vorzugsweise Plamasiliziumnitrid, überzogen, die an der Grenzfläche zum Halbleitersubstrat (12) eine möglichst hohe positive Ladungsdichte (beispielsweise durch Einbau von Cäsium) enthält, um eine gut leitfähige Inversionsschicht (28) im Halbleiter substrat (12) zu erzeugen.

Entgegen der bisherigen Auffassung werden mit dieser Anordnung möglichst viele Minoritätsladungsträger vom Ohmschen Kontakt (18) weg entlang der Inversionsschicht (28) zu den MIS-Kontakten (30) geleitet. Eine Ableitung von Elektronen aus dem Inversionskanal (28) zu den Ohmschen Kontakten (18) und damit eine Erniedrigung des Parallelwiderstandes erfolgt wider Erwarten auch ohne zusätzliche Maßnahmen nicht. Je näher der MIS-Kontakt (30) an dem Ohmschen Kontakt (18) zu liegen kommt, desto höher werden Kurzschlußstrom und Füllfaktor und damit der Wirkungsgrad der Solar zelle.

Sofern die Kontakte streifenförmig ausgebildet sind, sollten die Abstände der MIS- Kontaktfinger untereinander etwa 10-30 mal größer als die Breite der Kontakte selbst sein. Bei den Ohmschen Kontakten, die breiter als die MIS-Kontakte sind, sollte ein ähnliches Verhältnis bestehen. Die Abschattung durch die Ohmschen und MIS-Kontakte (18) bzw. (30) beträgt jeweils etwa 5%-10%.

Um die geringen Abstände zwischen den Ohmschen Kontakten (18) und den MIS- Kontakten (30) zu erreichen, ist eine exakte Justierung der beiden Metallgitterstrukturen zueinander erforderlich. Dies kann auf herkömmliche Weise beispielsweise durch Photolithographie und Ätzen der Metallschichten oder durch Aufbringen des Metalls durch mechanische Masken, die mit Justiermarken versehen sind, erfolgen. Dabei ist auch die gezielte Aufbringung des Metalls durch Siebdruck möglich.

Die in Fig. 1 gezeigte Solarzellenrückseite (10) kann in Analogie zur IBC oder PC Solarzelle natürlich auch vorteilhafterweise für dotierte Punktkontakte ausgelegt werden, wobei sich die Passivierschicht auf den Pyramidenstümpfen als ideale selbstjustierende Dotiermaske eignet. Im Falle von p-Silizium liegen dann n⁺ Punktkontakte (Minoritäts träger sammelnd) neben p⁺ Punktkontakten (Majoritätsträger sammelnd) auf den Pyramidenstümpfen vor, wobei das Zwischengebiet mit einer Passivierschicht bedeckt ist.

Ein eigenerfinderischer Vorschlag sieht vor, unter Einbeziehung der abgeflachten Pyramiden durch einen einfachen selbstjustierenden Prozeß die obigen für einen Mas senfabrikationsprozeß weniger geeigneten Justiervorgänge zu eliminieren und dabei noch wesentliche Vorteile bezüglich der bei diesen rückseitig die Minoritätsladungsträger sammelnden Solarzellen erforderlichen sehr geringen Dicken der Halbleiterscheibe zu erreichen.

Ähnlich wie in der Europäischen Patentanmeldung EP 8 81 05 201.3 A1 beschrieben, kann eine Halbleiter- wie Siliziumrückseite durch verschiedene Methoden derart strukturiert abgetragen werden, daß in bestimmten Abständen (bis in den Millimeterbereich) erhabene Bereiche stehen bleiben, auf denen Ohmsche Kontakte zur Sammlung von Majoritätsladungsträgern angeordnet sind. Im Bereich zwischen diesen als Kontaktstege zu bezeichnenden Ohmschen Kontakten sind Minoritätsträger sammelnde Kontakte angeordnet, entweder in Form einer MIS-Fingerstruktur (analog zu Fig. 1) auf den abgeflachten und passivierten Pyramiden oder als ganzflächiger Metall-Isolator-Silizium bereich wie in Fig. 3 dargestellt ist.

In den Fig. 3 und 4 sind Ausschnitte einer Rückseite einer Solarzelle (36) dargestellt, die ein Halbleiter- wie Siliziumsubstrat (38) mit pyramidenförmigen Erhebungen (40), (42) aufweist. Vor Ausbildung der Erhebung (40), (42) wurden aus dem Halbleitersub strat stegförmige Vorsprünge (44), (45) gebildet. Auf die Vorsprünge (44), (45) wurde sodann Metall (48) zur Bildung der Ohmschen Kontakte (57) abgeschieden. Anschlie ßend wird die gesamte Halbleitersubstratfläche mit einer Passivierschicht (46) abge deckt. Schließlich werden die Spitzen der Pyramiden o. ä. Erhebungen (40), (42) also die Passivierschicht und bereichsweise das Halbleitermaterial abgetragen, um eine dünne Isolatorschicht (50) auf dem freigelegten Halbleitersubstrat anzuordnen. Der Bereich zwischen den Ohmschen Kontakten (57) wird sodann mit Metall (52) abgedeckt, das entsprechend der flächigen Erstreckung der Isolatorschicht (50), dem darunter befindli chen und freigelegten Halbleiter das Metall von MIS-Kontakten (54) bildet und an der Halbleiteroberfläche wird eine Inversionsschicht (53) induziert.

Mit anderen Worten ist bereichsweise Metall (52), Isolatorschicht (50) und Halbleiter substrat ein MIS-Kontakt (54).

Der erhabene Ohmsche Kontakt (57) selbst kann auf seiner Oberfläche eben sein oder ebenso wie das Zwischengebiet aus abgeflachten Pyramiden oder anderen Erhebungen bestehen. Die Aufbringung des Metalls für die erhabenen Kontakte (57) kann, vor der Erzeugung der erhabenen Halbleiterbereiche, also der Erhebungen (44), (45) ganz flächig erfolgen oder nachträglich vorzugsweise selbstjustierend durch Schrägaufdampfen im Vakuum. Im letzteren Fall wird unter einem sehr flachen Winkel aufgedampft, wodurch jeweils die eine Flanke des erhabenen Halbleiterbereiches mit viel Metall, der Oberflächenbereich mit wesentlich weniger Metall bedeckt wird. Auch mit Hilfe einer mechanischen Maske kann das Metall auf die erhabenen Bereiche aufgebracht werden.

Die Metallisierung (48) der erhabenen Bereiche (44), (45) kann auch erst nach Auf bringen der Passivierschicht (46) nach lokalem Entfernen derselben auf der Oberseite der Bereiche (44) und (45) erfolgen. In diesem Fall bedeckt das Metall zumindest bereichsweise die Passivierungsschicht (46).

Um auf einfache Weise einen definierten, minimalen Abstand von Ohmschen Kontakt (57) und MIS-Kontakt (54) ohne die Gefahr eines lokalen Kurzschlusses zu erhalten, wird erfindungsgemäß nach Fertigstellung der Ohmschen Kontakte (57) das Metall für die MIS-Kontakte (54) in einer Vakuumaufdampfanlage weitgehend senkrecht aufge dampft. Dabei erfolgt eine gleichmäßige Beschichtung sowohl im tieferliegenden MIS- Kontaktbereich als auch auf den erhabenen Ohmschen Kontakten (48), während auf den senkrechten oder leicht geneigten Flanken sich kein oder nur wenig Metall abscheidet. Eine kurze Metallätzung stellt sicher, daß die Flanken der erhöhten Kontaktbereiche (44) frei von Metall sind und damit ohne besondere Justierung eine exakte Trennung von Ohmschen Kontakten (57) und MIS-Kontakten (54) erfolgt ist.

Der zwischen den Ohmschen Kontakten (57) vorhandene und mit dem Bezugszeichen (54) versehene MIS-Kontakt ist im eigentlichen Sinne ein MIS-Kontaktbereich, der sich aus einzelnen MIS-Kontakten (49) zusammensetzt, die jedoch über die Metallisierung (52) leitend untereinander verbunden sind und den Minus-Pol (56) bilden.

Aus Gründen der Einfachheit wird der sich zwischen Ohmschen Kontakten (57) er streckende MIS-Kontaktbereich als MIS-Kontakt (54) bezeichnet.

Der räumliche Abstand der Kontakte (57) und (54) ist durch die Höhe und Form der erhabenen Bereiche festgelegt. Durch naßchemisches Ätzen, Plasmaätzen, mechanisches Abtragen oder andere Methoden können Höhe und Form beliebig eingestellt werden. Die Bereiche können durch schräge Flanken begrenzt sein, wie es beispielsweise durch naßchemisches anisotropes Ätzen erreicht wird, oder durch senkrechte, abgerundete oder andersartig geformte Seitenwände. Abgesehen von der mechanischen Stützfunktion, durch die der Halbleiter unproblematisch sehr dünn gemacht werden kann (wichtig für rückseitig sammelnde Solarsellen!), unterscheidet sich die Aufgabe der erhabenen Bereiche in Fig. 3 erheblich von der Anordnung wie sie in der EP 8 81 05 201.3 A1 aufgeführt ist. Dort war die Forderung gestellt, daß Höhe der Bereiche plus Dicke des Halbleitersubstrats in der Größenordnung der Diffusionslänge der Minoritätsladungs träger liegen müssen, damit diese Ladungsträger den Ohmschen Kontakt nicht mehr erreichen können. Im vorliegenden Fall jedoch ist diese Bedingung von untergeordneter Bedeutung, da infolge der unmittelbar angrenzenden Inversionsschicht (53) und der MIS-Kontakte (54) die Minoritätsträger praktisch schon vor dem Eintreten in den erhabenen Kontaktbereich (57) seitlich abgesaugt und über den MIS-Kontakt (54) einer Nutzung zugeführt werden. Diejenigen Minoritätsträger die doch in den erhabenen Bereich (44), (45) gelangen, werden dann durch die Inversionsschicht (53) entlang der Flanken zu den MIS-Kontakten (54) abgeführt. Durch diese beidseitig erfolgende seitliche Absaugung der Minoritätsträger ist bei einer entsprechenden Geometrie der erhöhten Bereiche (44), (45) (vorteilhaft: Breite < als die zweifache Diffusionslänge) der Majoritätsträger sammelnde Kontakt (57) völlig vom Erreichen durch Minoritäts träger abgeschirmt.

Diese auf einfache Weise erzeugte Rückseitenanordnung übertrifft somit das herkömm liche Rückseitenfeld (BSF = Back Surface Field) in seiner Wirkung zur Abstoßung der Minoritätsträger. Zur Reduzierung des Ohmschen Kontaktwiderstandes kann zusätzlich auf dem erhabenen Bereich vor bzw. in Verbindung mit der Metallaufbringung ein Legier- oder Diffusionsprozeß angewandt werden (z. B. pp⁺), wodurch auch noch ein Getterprozeß zur Verbesserung der Lebensdauer der Minoritätsträger erfolgt.

Auch in der EP 8 81 05 201.3 A1 erhobene Forderung bezüglich der Abstände der Ohm schen Kontakte untereinander (< 2 Diffusionslängen) trifft bei der hier erfindungs gemäßen Anordnung nicht mehr zu. Die Ohmschen Kontaktbereiche können beliebig dicht aneinandergereiht werden, da die Minoritätsträger infolge des Absaugens durch die Inversionsschicht (53) nebst Raumladungszone auch bei sehr kleinen Abständen überhaupt nicht mehr zu dem eigentlichen Ohmschen Metall-Halbleiterkontakt (57) gelangen können.

Die Funktion der einseitig kontaktierten Solarzelle (36) beruht erfindungsgemäß darauf, daß durch die die beiden Pole (MIS-Kontakte (54) und Ohmscher Kontakt (57) in Fig. 3 verbindende Inversionsschicht (53) kein Elektronenübergang, d. h. kein interner Kurzschluß (shunt)) erfolgt. Im Sinne eines geringen Serienwiderstandes und einer geringen Rekombination sollten die Ohmschen Kontaktbereiche nicht zu breit sein (∼ 100 µm Breite) und ihr Abstand nicht zu groß gemacht werden. Beispielsweise dürfte bei einer Diffusionslänge von 150 µm-200 µm, einer Kontaktbreite von 100 µm und einer Kontakthöhe von 80 µm der Ohmsche Kontakt völlig von Minoritätsträgern abgeschirmt sein.

Was die Gestaltung der Solarzellenvorderseite für die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Rückseitenstrukturen betrifft, so gibt es mehrere Möglichkeiten, je nachdem welchen Solarzellentyp man erhalten möchte:

1) Solarzelle mit rückseitiger Sammlung der Ladungsträger und der Möglichkeit der beidseitigen Lichtausnützung:

Bei dieser Anordnung kann für die Rückseite die Struktur nach Fig. 1 mit unter brochenen MIS-Kontakten verwendet werden, wenn beidseitige Lichtausnützung erwünscht ist.

Mit der in Fig. 3 gezeigten Struktur ist wegen des optischen Reflektors an der Rückseite eine effiziente einseitige Solarzelle gegeben. Die Vorderseite enthält keine Kontakte und damit auch keine Lichtabschattung, da sowohl Löcher als auch Elektronen an der Rückseite gesammelt werden.

Von äußerster Wichtigkeit ist aber, daß diese Vorderseite eine sehr niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit besitzt, d. h. die in ihrer Nähe durch das Licht erzeugten Ladungsträger dürfen nicht an dieser Oberflächen rekom binieren. Hierzu kann analog zur schon erwähnten Front Surface Field (FSF) Solarzelle unter der Antireflexionsschicht ein pp⁺-Übergang an der Vorderseite erzeugt werden, der durch seine Potentialbarriere die Minoritätsladungsträger am Erreichen der Oberfläche hindert oder, wie im Falle der Tandem Junction Solarzelle, ein majoritätsladungsträgerabstoßender oberflächlicher pn-Übergang. Da es sich aber sowohl bei der Erzeugung eines pn-Überganges als auch eines pp⁺-Überganges um aufwendige Hochtemperaturprozesse handelt und außerdem zusätzlich eine Antireflexionsschicht aufgebracht werden muß, sollen, da bei der vorliegenden Erfindung der Niedertemperaturaspekt sowie die Einfachheit und Kostengünstigkeit der Herstellprozesse im Vordergrund stehen, Oberflächenpassi vierung und Antireflexionsschicht in einem Prozeßschritt erreicht werden. Dazu wird einfach auf der Vorderseite eine Wasserstoff enthaltende Isolatorschicht entsprechender Dicke auf dem natürlichen oder absichtlich thermisch erzeugten Oxyd abgeschieden, wodurch sowohl die Oberflächenzustände abgesättigt werden als auch die Reflexion an der Halbleiteroberfläche vermindert wird. Isolatorla dungen sind dabei von Vorteil, so daß sich die Siliziumoberfläche entweder in Anreichung oder in Inversion befindet. Sehr gut geeignet hierfür ist wiederum Siliziumnitrid, vorzugsweise in der Glimmentladung bei Temperaturen zwischen 350°C und 600°C (Herstell- oder Nachbehandlungstemperatur) beispielsweise durch Reaktion der wasserstoffhaltigen Komponenten Silan (SiH₄) und Ammo niak (NH₃) abgeschieden.

Mit seinem in weiten Grenzen veränderbaren Brechungsindex (zwischen 1,8 und 2,6) kann für jede Anordnung minimale Reflexion erzielt werden, wobei gleich zeitig ein perfekter Schutz der Oberfläche gegen das Eindringen von Verunreini gungen gegeben ist.

Eine derartige Schicht wurde schon in der DE 35 36 299 A1 zur Verminderung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit verwendet. Andere dünne Isola torschichten, die sowohl zur Passivierung als auch zur Reflexionsminderung geeignet sind und vorteilhafterweise positive oder negative Ladungen enthalten sowie thermisches Siliziumoxid kommen ebenfalls in Frage. Vorzugsweise sollte die Oberfläche texturiert sein.

Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle fällt das Licht ohne jegliche Abschattung durch die Oberfläche in den Halbleiter ein und erzeugt im Inneren, jedoch relativ nahe der Oberfläche, Elektron-Lochpaare. Beide Ladungsträgerarten müssen nun zur Rückseite diffundieren, wobei die Minoritätsladungsträger von den MIS-Kontakten (54), die Majoritätsladungsträger von den Ohmschen Kon takten (48) gesammelt und über einen äußeren Stromkreis (+Pol 55, -Pol 56) zur Arbeitsleistung verwendet werden (Fig. 1).

Die Dicke des Halbleitersubstrates (38) soll dabei kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger sein, damit möglichst viele dieser Ladungsträger ohne Rekombination zur Rückseite gelangen können. Die Minoritätsladungs träger gelangen sowohl direkt als auch über die Inversionsschicht (53) an der Rückseite hin zu den MIS-Kontakten (54). Es kann auch das von hinten auf fallende Licht sehr gut ausgenützt werden, da die nahe der Rückseite durch das von hinten einfallende Licht erzeugten Ladungsträger optimal gesammelt werden.

2) Solarzelle mit beidseitiger Sammlung von Minoritätsladungsträgern:

Bringt man zusätzlich zu den beiden Kontaktanordnungen auf der Rückseite (Fig. 1 bis 4) auch an der Vorderseite der gezeigten Solarzelle Kontaktstege an, die in der Lage sind, Minoritätsladungsträger zu sammeln, so ändert sich das Verhalten der Zelle drastisch. Es ergeben sich entscheidende Vorteile, sowohl bei nur vorderseitiger als auch bei beidseitiger Beleuchtung.

Fällt Licht nur von vorne auf die Zelle, so resultiert infolge der Sammlung der Minoritätsladungsträger auf beiden Seiten bei gleicher Dicke und Qualität (Diffusionslänge) des Halbleitermaterials ein höherer Samm lungswirkungsgrad als bei der normalen BSF (Back Surface Field) Solar zelle. Der Grad der Verbesserung ist abhängig vom Verhältnis aus Zel lendicke/Diffusionslänge. Es können daher auch billigere Halbleitermate rialien (geringere Diffusionslänge) verwendet und dennoch hohe Wir kungsgrade erreicht werden. Die hier beschriebene Konfiguration ist besonders für den Fall von Vorteil, wenn man aus Kostengründen sowohl die Dicke des Halbleitermaterials als auch dessen Diffusionslänge redu ziert.

Wenn die Zelle von beiden Seiten mit gleicher Intensität beleuchtet wird, so erhält man unabhängig von der Diffusionslänge nahezu die doppelte Ausgangs leistung, da der Wirkungsgrad für Front- und Rückseitenbeleuchtung, abgesehen von der höheren Abschattung auf der Rückseite, gleichgroß ist. Hier unterschei det sich diese Zelle wesentlich von der unter 1) beschriebenen einseitig Minori tätsträger sammelnden Zelle, bei der das Verhältnis aus Frontseitenwirkungsgrad zu Rückseitenwirkungsgrad sehr stark von der Diffusionslänge des Halbleiterma terials abhängt. Bei Diffusionslängen, die kleiner als die Dicke des Substrates sind, ergibt sich dort ein sehr schlechter Frontseitenwirkungsgrad.

Die erfindungsgemäßen Rückseitenanordnungen ermöglichen es nun, vorzugs weise zusammen mit der bei der MIS-Inversionsschicht-Solarzelle angewendeten Vorderseitenstruktur mit Hilfe einfacher Niedertemperaturprozesse die doppel seitige Solarzelle zu realisieren.

Die Funktionsweise dieser beidseitig Minoritätsträger sammelnden Solarzelle ist nun wie folgt:

Durch das von der Vorderseite wie auch von der Rückseite in den p-Halbleiter körper einfallende Licht werden Elektron-Lochpaare erzeugt. Die Löcher wan dern zu den Ohmschen Kontakten auf der Rückseite und werden von ihnen gesammelt. Die Elektronen als Minoritätsladungsträger diffundieren nun, je nach dem Ort ihrer Entstehung, entweder zur Vorderseite oder zur Rückseite und gelangen zu den MIS-Kontakten. Vorzugsweise sollen die Minoritätsträger sammelnden Kontaktsysteme von der Vorder- und Rückseite extern miteinander verbunden werden und den einen Pol der Solarzelle bilden. Das rückseitige Majoritätsträger sammelnde Kontaktsystem bildet den anderen Pol. Dies ent spricht einer Parallelschaltung der beiden MIS-Diodenanordnungen von Vorder- und Rückseite.

Die doppelseitige Sammlung der Minoritätsladungsträger erlaubt es nun

a) unter frontseitiger Beleuchtung höhere Wirkungsgrade zu erzielen durch Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit im langwelligen Bereich,
b) bei gleicher Dicke des Halbleitersubstrates eine wesentlich kleinere Diffusionslänge und damit billigeres Halbleitermaterial zu verwenden oder es kann bei gleicher Diffusionslänge eine größere Dicke des Halbleiters gewählt und damit mehr Licht absorbiert werden,
c) zusätzlich zu dem erhöhten Wirkungsgrad bei Vorderseitenbeleuchtung im Gegensatz zu bisher bekannten doppelseitig beleuchtbaren Solarzellen auch das von hinten einfallende Licht, abgesehen von der zusätzlichen Abschattung durch die MIS-Kontakte, erheblich besser auszunützen, da die Minoritätsladungsträger nicht erst durch das ganze Halbleitersubstrat zu den sammelnden Kontakten auf der Vorderseite diffundieren müssen (die Abschattung durch die MIS-Kontakte auf der Solarzellenrückseite sollte nicht wesentlich größer als 10% sein, so daß die Gesamtabschattung der Rückseite durch Ohmsche und MIS-Kontakte bei etwa 20% zu liegen kommt),
d) infolge der Reduzierung der Strombelastung der einzelnen MIS-Kontakte und der Inversionsschicht durch die großflächigere doppelseitige Samm lung der Minoritätsladungsträger eine Reduzierung des Serienwiderstandes und damit eine Erhöhung des Füllfaktors und des Wirkungsgrades der Solarzelle zu erreichen. Ferner kann die Dicke der Metallschicht der MIS- Kontakte reduziert werden.

Statt der bei niederen Temperaturen hergestellten und mit der Rückseitenanord nung technologisch kompatiblen Vorderseitenanordnung mit MIS-Kontakten und Inversionsschicht kann auch die herkömmliche Anordnung mit ganzflächigem, durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugtem n⁺p- bzw. p⁺n-Übergang und Metall-Kontaktgitter verwendet werden. Bei diesem Solarzellentyp werden demnach die Minoritätsladungsträger teils über den vorderseitigen n⁺p- bzw. p⁺n-Übergang und teils über die rückseitigen Minoritäts-MIS Dioden abgesaugt.

Die Möglichkeit der abgeflachten Pyramiden kann vorteilhafterweise natürlich auch für den als Back-MIS Zelle (R. Hezel and K. Jaeger, J. Electrochem. Soc. 136(2), S. 518 (1989) bezeichneten, rückseitig nur die Minoritätsträger sammeln den Solarzellentyp eingesetzt werden, während sich das Ohmsche Majoritäts träger sammelnde Kontaktgitter wahlweise ebenfalls mit abgeflachten Pyramiden auf der Vorderseite befindet. Der große Vorteil hierbei ist, daß die Fläche des eigentlichen MIS-Kontaktes auf der Rückseite in Form der abgeflachten Pyrami den sehr kein gemacht werden kann, die ganzflächige Metallisierung größtenteils auf der durch die Isolatorschicht sehr gut passivierten Oberfläche verläuft und damit gleichzeitig einen hervorragenden rückseitigen Spiegel (BSM "Back Surface Mirror") für das im Halbleiter nicht absorbierte Licht darstellt.

Claims

1. Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, die von auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und zweiten Minoritäts- bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohmschen Kontakten und MIS-Kontakten ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontakte (18, 30) auf einer Erhebungen (20, 22, 24) aufweisenden Halbleitersubstratfläche angeordnet sind, daß die ersten und zweiten Kontakte zumindest bereichsweise auf zuvor mit Passivierungsmaterial abgedeckten und sodann von diesem freigelegten Abschnitten der Erhebungen unmittelbar oder auf einer Isolatorschicht (14) angeordnet sind und daß sich entlang der Halbleitersubstratfläche eine die Minoritätsladungsträger zu den MIS-Kontakten (30) leitende Inversionsschicht (28) zwischen sowohl den ersten und zweiten Kontakten als auch den MIS-Kontakten erstreckt.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (20, 22, 24) linienförmig sind Pyramiden-, Kegel- oder Zylinderform aufweisen.

3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kontakte (18, 30) reihenförmig und parallel zuein ander verlaufend angeordnet sind.

4. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem Ohmschen Kontakt (18) und einem benach barten MIS-Kontakt (30) gleich oder geringer als der zwischen zwei benachbarten MIS-Kontakten ist.

5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem MIS-Kontakt (30) und einem Ohmschen Kontakt (18) in etwa die Hälfte des Abstandes von zwei aufeinanderfolgenden MIS-Kontakten ist.

6. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren parallel zur Halbleitersubstratfläche verlaufenden Flächen der ersten und zweiten Kontakte (18, 30) in oder in etwa einer Ebene verlaufen.

7. Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, die von auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und zweiten Minoritäts- bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohmschen Kontakten und MIS-Kontakten ableitbar sind, wobei die Ohmschen Kontakte auf erhabenen Bereichen des Halbleitersubstrats angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die MIS-Kontakte (49) oder von diesen gebildete Bereiche (54) ganz flächig oder im wesentlichen ganzflächig zwischen den Ohmschen Kontakten (57) erstrecken.

8. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Draufsicht der Rückseite der Solarzelle (36) die MIS-Kontakte (49) beziehungsweise die von diesen gebildeten Bereiche (54) und die Ohmschen Kontakte (57) eine geschlossene oder im wesentlichen geschlossene Fläche bilden.

9. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die MIS(Metall-Isolator-Halbleiter)-Kontakte (49) auf texturierten Bereichen des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei ein Teil des Metalls des MIS- Kontaktes auf zuvor mit einer Passivierschicht (46) abgedeckten und sodann von dieser befreiten und mit einer Tunneloxidschicht (50) versehen texturierten Bereichen angeordnet ist.

10. Solarzelle nach zumindest Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (46) die Ohmschen Kontakte (57) abdeckt.

11. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (48) der Ohmschen Kontakte (57) die Passivierungsschicht (46) zumindest teilweise überdeckt.

12. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einkristallin, polykristallin, amorph oder ein Element- oder Verbindungshalbleiter ist.